Ders 9-TERMAL-MANYETİK

manyetik özellikler

● Manyetik özellikler nelerdir?

● Bu özellikleri nasıl ölçeriz?

● Manyetizmanın atomik ölçekte karşılığı

nedir?

● Manyetik malzemeler nasıl sınıflanırlar?

● Manyetik depolama için malzeme tasarımı

● Süper iletken mıknatısların önemi nedir?

İşlenecek konular

● Modern teknolojik cihazların büyük kısmı

manyetik malzemelerle çalışır.

● Bunlar arasında elektrik güç jeneratörleri,

transformatörler, elektrik motorları, radyo,

televizyon, bilgisayar, ses ve görüntü üretim ve

kayıt cihazlarını sayabiliriz.

● Demir, bazı çelikler, ve doğada bulunan mıknatıs

taşı manyetik özellik gösteren malzemelerdir.

● tüm malzemeler bir manyetik alandan az ya da

çok etkilenirler.

giriş

Hard disk sürücülerinde

kullanılan düşey

manyetik kayıt

malzemesinin TEM

görüntüsü.

Manyetik malzemeler

Dizüstü bilgisayar

Hard disk sürücüsü içi (disk 5400-

7200 devir/dk hızda döner.)

diz ve masa üstü bilgisayarlarda

kullanılan hard disk sürücüleri

manyetizma

Bir mıknatıs üzerine

yerleştirilen cam

veya mukavva

üzerine ince

demir tozları

serpildiğinde, demir

tozları manyetik

alan çizgileri denen

düzgün çizgiler

üzerine toplanır.

Manyetik alan ● hareket eden elektrik yüklü parçacıklar

manyetik kuvvetlere yol açarlar.

● Manyetik kuvvetler manyetik alan oluşturur.

● Bu manyetik alanı kuvvetin yönünü gösterecek

şekilde çizilen bir dizi kuvvet çizgisi ile

gösterebiliriz.

Manyetik dipoller (çift kutup) ● Manyetik malzemelerde manyetik dipoller

bulunur.

● Manyetik dipolleri kuzey ve güney kutupları

bulunan küçük mıknatıslar olarak düşünebiliriz.

● Manyetik alanda alanın kendi

kuvveti bu dipolleri alanla

birlikte yönlendirmek için bir

tork uygular.

● örnek: manyetik kumpas

iğnelerinin yerküre manyetik

alanında yönlenmeleri gibi.

Manyetik Alan ve Manyetik Akı

● İçinden elektrik akımı geçen bir iletkenin

çevresinde manyetik alan (H) oluşur.

● Bu manyetik alanın içine manyetiklik

özelliğine sahip bir malzeme (mıknatıs) konacak

olursa manyetik alan şiddeti daha da artar ve

kuvvet çizgileri sıklaşır.

● Malzeme varlığından doğan ek manyetik

alan artımına manyetik akı yoğunluğu (B) denir.

Bobinden geçen akımın oluşturduğu manyetik alan:

Uygulanan manyetik alan

L

INH

amper-sarım/m

akım

uygulanan manyetik alan

Manyetik alan H

akım I

N = sarım sayısı

L = bobinin uzunluğu

boşlukta manyetik akı

büyüklüğü:

Bo = 0.H

0 : boşluğun manyetik geçirgenliği

Manyetik geçirgenlik

Boşlukta manyetik alan içine demir konulursa alan

çizgileri birbirine yaklaşır; böylece birim alandan

geçen manyetik akı artar.

demir

Manyetik geçirgenlik manyetik alan içine bakır, gümüş, bizmut gibi

mıknatıs özelliği olmayan bir madde konulursa alan

çizgileri bu maddeden geçerken birbirinden

uzaklaşır; birim alandan geçen akı azalır.

bakır

Manyetik geçirgenlik Maddelerin manyetik alan çizgilerini seyrekleştirme

ya da sıklaştırma özelliğine o maddenin manyetik

geçirgenliği () denir.

Boşluk için manyetik geçirgenlik, 0

0 = 4.10-7 Wb/A.m

Bir ortamdaki B manyetik alan şiddeti,

ortamın cinsine,

mıknatıslayıcı alana

bağlıdır.

Manyetik indüklenme B : Manyetik akı yoğunluğu

H alanına maruz kalmış bir maddede oluşan iç alan

kuvvetinin büyüklüğü; tesla, T (Wb/m2).

H ve B alan vektörleridir. Sadece büyüklükleri ile

değil ayni zamanda yönleri ile tanımlanırlar.

Manyetik alan kuvveti ve akı yoğunluğu ilişkisi:

: manyetik geçirgenlik, H alanının geçtiği ve

B’nin ölçüldüğü ortamın bir özelliğidir.

: Wb/A m veya Henry/ metre (H/m).

Manyetik alana yanıt

akım I

B = Malzemede mıknatıslanma

(tesla) B = H µ: Mutlak manyetik geçirgenlik

katsayısı

H mıknatıslayıcı alan içinde bir madde var ise, bu

maddede mıknatıslanma olur!

bu ortamda oluşan manyetik alanın büyüklüğü,

B = .H : madde için manyetik geçirgenlik

Vakumda Manyetik akı yoğunluğu, B0

B0 = 0H (Wb/m2)

0 : vakumun geçirgenliği,

4 x 10-7 H/m.

Bir katı maddede

manyetik akı

yoğunluğu,

B = H (Wb/m2)

: Katı malzemenin

geçirgenliği

B0=0 H B= H

Manyetik Alan ve Manyetik Akı

L

INH

amper-sarım/m

akım

Manyetik geçirgenlik Katıların manyetik özelliklerini tarif etmek için

yararlanılan parametrelerden biri, madde içindeki

geçirgenliğin vakumun geçirgenliğine oranıdır.

r bağıl geçirgenliktir ve birimsizdir.

Boşluğun bağıl manyetik geçirgenliği = 1

Havanın bağıl manyetik geçirgenliği = 1

Dielektrik sabiti bir malzemenin üzerinde yük depolayabilme yeteneğini

ölçmeye yarayan katsayı r = / 0


Bir ortamın-maddenin manyetik geçirgenliği,

bu ortamın bağıl manyetik geçirgenliği (r)

ile boşluğun manyetik geçirgenliğinin (o)

çarpımına eşittir.

= r .o

Dielektrik sabiti bir malzemenin üzerinde yük depolayabilme yeteneğini

ölçmeye yarayan katsayı = r 0


Maddeler bağıl manyetik geçirgenliklerine göre 3

gruba ayrılır:

Diamanyetik maddeler

● Bağıl manyetik geçirgenlikleri 1’den biraz küçük

(r <1) olan maddelerdir.

● Diamanyetik maddeler manyetik alan içine

konduklarında manyetik alanı biraz zayıflatır.

● Bakır, gümüş, bizmut ve karbon gibi maddeler

diamanyetik maddelerdir.


paramanyetik maddeler

● Bağıl manyetik geçirgenlikleri 1’den biraz yüksek

(r >1) olan maddelerdir.

● Paramanyetik maddeler, manyetik alan içine

konulduklarında manyetik alanı biraz sıklaştırır.

● Alüminyum ve mangan paramanyetik

maddelerdir.

Manyetik geçirgenlik ferromanyetik maddeler

● Bağıl manyetik geçirgenlikleri 1’den çok yüksek

(r >>1) olan maddelerdir.

● Bu maddeler manyetik alan içine konulduklarında

kuvvetli olarak mıknatıslanırlar ve manyetik alan

şiddetini çok arttırırlar.

● Bu özellikleri nedeniyle, ferromanyetik maddeler

mıknatıslar, elektrik motorları, jeneratörler,

manyetik teypler için idealdir.

● Demir, nikel, kobalt ferromanyetiktir.

manyetiklik türleri Manyetik indüksiyon

B (tesla)

Uygulanan manyetik alan kuvveti (H)

(amper-sarım adedi/m)

vakum

Diamanyetik (1)

e.g., Cu, Au, Si, Ag, Zn

ferromanyetik e.g Fe, Ni, Co (3)

(2)

Paramanyetik

E.g., Al, Cr, Mo, Na, Ti, Zr

Manyetik geçirgenlik Bir malzemenin bağıl geçirgenliği ya da geçirgenliği,

o malzemenin indüklenme derecesinin, ya da, bir dış

H alanında B alanının oluşturulmasının kolaylığının

ölçüsüdür.

Bir diğer alan büyüklüğü, M, katı malzemenin

mıknatıslanması;

B = 0H + 0M

H alanında bir malzemedeki manyetik momentler

alana paralel yönlenir ve manyetik alanları ile bu

alanı güçlendirirler.

0M terimi onların katkısının ölçüsüdür.

Manyetik geçirgenlik ve duyarlılık

Kolayca mıknatıslanan manyetik malzemeler yüksek

manyetik geçirgenliğe sahiptirler.

Manyetik duyarlılık

m = M

H

Mık

natı

slanm

a,

B (

T)

Manyetik alan, H (A/m)

max

max gerçirgenlik

i

ilk geçirgenlik


(birimsiz)

Manyetik alana yanıt

m > 0

m< 0

m= 0; vakum

B

H

Manyetik duyarlılık (m) malzemenin vakuma göre

yanıtını ölçer.

M’nin büyüklüğü

uygulanan alana

orantılıdır:

M = m H


vs bağıl geçirgenlik:

m = r-1

Manyetik Alanla İlgili Birimler

özellik sembol birim

Manyetik akı yoğunluğu B Tesla (Wb/m2)

Manyetik alan kuvveti H Amp-sarım/m

mıknatıslanma M Amp-sarım/m

Vakum geçirgenliği 0 Henry/m

Bağıl geçirgenlik r birimsiz

Manyetik duyarlılık m birimsiz

Manyetik momentlerin kaynağı Elektron: hareket halinde elektrik yükü!

Malzemelerin makroskopik manyetik özellikleri

e ların manyetik momentlerinin sonucudur!

Her elektron iki tür manyetik momente sahip:

elektronun çekirdek etrafındaki yörünge hareketi

Kendi ekseni etrafında spin hareketi

manyetik momentler

elektron

Yörünge

Çekirdek

elektron

spin

Net manyetik

moment:

bütün

elektronların

momentlerinin

toplamı

● Her elektron ekseni etrafında döner. Bu dönme

hareketinden bir manyetik moment oluşur ve spin

ekseni boyunca yönlenir.

● Spin manyetik momentleri sadece yukarı ya da

aşağı yönde olabilir.

● Dolayısı ile her bir elektron kalıcı yörünge ve spin

manyetik momentleri bulunan küçük birer

mıknatıs olarak kabul edilebilir.

● manyetik moment birimi Bohr magneton B dir

ve büyüklüğü 9.27x10-24 A.m2 dir.

● her elektron için spin manyetik momenti = B

(yukarı spin için + aşağı spin için ).

Manyetik momentlerin kaynağı

● Yörünge manyetik moment katkısı: ml B,

ml: elektronun manyetik quantum numarası

● Her bir atomda bazı elektron çiftlerinin yörünge

momentleri birbirlerini siler.

● Bu durum spin momentleri için de geçerlidir.

● Örneğin, bir e- nun yukarı spin momenti aşağı

olanı siler.

● Dolayısı ile bir atomun net manyetik momenti

elektronlarının her birinin hem yörünge hem de

spin manyetik momentlerinin toplamına eşittir

(birbirini silenlerden arta kalan).


● Tamamen dolu yörünge ve alt yörüngeleri olan bir

atomda hem yörünge hem de spin momentleri

birbirlerini tamamen siler.

● Dolayısı ile tamamen dolu yörüngeleri olan

atomlardan oluşan malzemelerin kalıcı olarak

indüklenmesi mümkün değildir.

● Bu kategoride olan elementler asal gazlar

(He, Ne, Ar, etc.) ve bazı iyonik malzemelerdir.


Malzemelerin manyetik özellikleri Atomları elektronlara sahip oldukları için bütün

malzemelerin manyetik olması gerektiği

düşünülebilir. Ancak malzemelerin manyetik

özellikleri arasında çok belirgin farklar vardır.

Bazı atomlardaki elektronlar birbirlerinin

manyetik etkilerini yok edecek şekilde yönlenirler.

Bütün malzemeler bir manyetik etki gösterseler

de, bir çok malzemedeki mıknatıslanma ancak çok

hassas cihazlarla ölçülebilecek kadar zayıftır.

Manyetizma türleri:

Diamanyetizma;

Paramanyetizma ve

Ferro manyetizma

antiferromanyetizma

ferrimanyetizma

Bütün malzemeler bu manyetizma türlerinden en az

birini sergilerler.

Gerçekleşen manyetizma elektron ve atomik

manyetik dipollerin dışardan uygulanan manyetik

alanda nasıl davrandıklarına bağlıdır.

Malzemelerin manyetik özellikleri

Diamanyetizma ● Manyetizmanın çok zayıf bir şeklidir.

● Manyetik alan etkisi altında elektronların yörünge

hareketlerinde bir değişiklik olması sonucunda

ortaya çıkar.

● Diyamanyetik malzemeler kalıcı olarak

mıknatıslanmazlar; sadece dışardan bir manyetik

alan uygulandığında mıknatıslanma olur.

● Ortaya çıkan manyetik momentin büyüklüğü

sınırlı ve yönü uygulanan alanınkine zıttır.

● Bu nedenle bağıl geçirgenlik, r < 1 (r = 0.998

gibi) ve manyetik duyarlılık negatiftir.

Diamanyetizma Diamanyetik bir malzemede dış alan olmadığında

dipoller de yoktur.

Manyetik alanda alan yönüne ters yönlenen dipoller

oluşur.

Manyetik alan yok! Manyetik alan var!

Diamanyetizma ● Diamanyetik malzemelerin kalıcı manyetik

momentleri yoktur.

● Uygulanan bir manyetik alanda manyetik momentler oluşur.

● Bu manyetik momentler uygulanan alan yönüne diktir ve toplam manyetik alanı zayıflatır.

● Fakat bu etki çok küçüktür.

● Bütün malzemelerde rastlanır.

● Örnekler: yüksek sıcaklık süperiletkenleri, bakır ve gümüş

Diamanyetizma ● r < 1 ve manyetik duyarlılık < 0 olduğundan B

alan büyüklüğü diamanyetik katılarda vakumda

olduğundan daha küçüktür.

● Diamanyetik katı malzemeler için hacim

duyarlılığı m 10-5 kadardır.

● Kuvvetli bir elektromıknatısın kutupları arasına

yerleştirildiğinde diamanyetik malzemeler alanın

zayıf olduğu bölgelere doğru çekilirler.

Diamanyetizma ● Radyum, potasyum, magnezyum, hidrojen, bakır,

gümüş, altın ve su diamanyetiktir.

● Diamanyetizma çok zayıf olduğu için, ancak

diğer manyetizma türleri olmadığında fark

edilebilir.

● Bu tür manyetizmanın pratik bir önemi

bulunmaz.

paramanyetizma ● Bazı katı maddelerde elektron spin ve/veya

yörünge momentleri arasında tam bir silme

gerçekleşmediği için her bir atom kalıcı bir dipol

momentine sahiptir.

● Bir dış manyetik alan bulunmadığında, atomik

manyetik momentler gelişigüzeldir. Bu malzemeler

net bir makroskopik mıknatıslanma göstermez.

● dipoller rotasyon için serbesttir ve bir manyetik

alan etkisinde rotasyonla tercihli olarak

yönlendiklerinde ortaya paramanyetizma çıkar.

● Bu manyetik dipoller aralarında bir etkileşim

olmaksızın bireysel olarak hareket ederler.

paramanyetizma güçlü bir manyetik alana paralel şekilde yönlenme

olur.

Paramanyetik malzemeler kalıcı olarak

mıknatıslanmazlar.

çift sayıda elektronlara sahip maddelerde görülür.

Örnek:

Cr

Si

Al

Hava

paramanyetizma ● Dipoller dış alanla birlikte yönlenirken ayni

zamanda bu alanı kuvvetlendirirler ve bağıl

geçirgenlik “1” den büyüktür (r > 1; r=1.001 gibi)

● oldukça küçük fakat pozitif bir manyetik

duyarlılığa yol açarlar.

● Paramanyetik malzemeler için duyarlılık 10-5 ile

102 arasında değişir.

● Gerek dia gerek paramanyetik malzemeler sadece

bir manyetik alanda mıknatıslanma gösterirler ve

manyetik değildirler.

● Her 2 grup malzemede akı yoğunluğu B, vakumda

olduğu kadardır.

Paramanyetizma

●Paramanyetik malzemelerin kalıcı manyetik

momentleri vardır.

●Oda sıcaklığında bu momentler rastgele

dizilmiştir.

●Uygulanan bir manyetik alana çok az (%0.01)

katkıda bulunurlar (B’yi %0.01 kadar

arttırırlar!)

●Örnekler: oksijen; alüminyum, tungsten,

platin

diamanyetizma ve paramanyetizma

Diamanyetik ve

paramanyetik

malzemeler için

akı yoğunluğu,

B, vs manyetik

alan kuvveti H

ilişkisi Akı yoğunlu

ğu,

B

manyetik alan kuvveti, H

paramanyetik

vakum

diamanyetik

Elektron konfigürasyonu Cl atomlarının e- konfigürasyonu: 3s2 3p5

Çiftleşmemiş bir elektronu olduğu için Cl atomları

paramanyetiktir.

Zn atomlarının e- konfigürasyonu: 4s2 3d10

Tüm elektronları çiftleşmiş olduğu için Zn atomları

diamanyetiktir.

manyetiklik türleri

Manyetik indüksiyon B (tesla)

Uygulanan manyetik alan kuvveti (H) (amper-sarım adedi/m)

vakum ( = 0)

Diamanyetik ( -10-5 ) (1)

e.g., Al 2 O 3 , Cu, Au, Si, Ag, Zn

ferromanyetik e.g. Fe3O4, NiFe2O4

ferrimanyetik e.g. ferrit(), Co, Ni, Gd

(3)

( 10 6 !)

(2)

Paramanyetik 10-4

e.g., Al, Cr, Mo, Na, Ti, Zr

Vakumun geçirgenliği:

(1.26 x 10-6 H/m)

HB o )1(

3 tür için manyetik momentler

Manyetik alan yok (H = 0)

Manyetik alan (H>0)

(1) diamanyetik

yok

ters

(2) paramanyetik

rastg

ele

yönle

nm

iş

(3) ferromanyetik

ferrimanyetik

yönle

nm

iş

yönle

nm

iş

diamanyetik

malzemelerde, elektronlar

birbirlerinin manyetik

alanlarını yok edecek

şekilde yönlenmiştir.

paramanyetik

malzemelerde atomlar

manyetiktir fakat atomların

kendileri rastgele

konumlanmıştır ve

malzemenin toplam

mıknatıslanması sıfırdır.

Paramanyetik malzemeler

manyetik alana konduklarında

atomlar malzeme zayıf

mıknatıslanma gösterecek

şekilde yönlenirler.


diamanyetiklik ve paramanyetiklik Diamanyetik ve paramanyetik malzemeler için

oda sıcaklığı manyetik duyarlılıkları

Paramanyetik malzemeler Diamanyetik malzemeler

malzeme malzeme

duyarlılık duyarlılık

Ferromanyetik malzemeler ferromanyetik malzemeler bir dış manyetik alan

olmadığında kalıcı bir manyetik momente

sahiptirler.

Manyetik duyarlılık r >> 1 (r=106 gibi) H<<M

Ferromanyetik malzemelerde

mıknatıslanma etkisi kuvvetlidir.

Ferromanyetik malzemeler

manyetik bir alana maruz

kaldıklarında kalıcı olarak

mıknatıslanırlar.

ferromanyetizma ferromanyetizma bazı geçiş metalleri, demir (HMK -

ferrit), Kobalt, nikel, ve bazı nadir toprak

metallerinde (gadoloniyum, Gd) görülür.

Ferromanyetik malzemelerde, manyetik akı

yoğunluğu ve mıknatıslanma ilişkisi:

0M >> 0H

B ≈ 0M B = 0H + 0M

ferromanyetizma

● Ferromanyetik malzemelerde kalıcı manyetik

momentler elektron yapısı nedeniyle silinmemiş

elektron spinlerinden kaynaklanan atomik

manyetik momentlerden ileri gelir.

● Ayrıca, spin momentlerine göre daha küçük

yörünge manyetik moment katkısı da vardır.

● Ferromanyetik malzemelerde komşu atomlar bir

dış alan etkisi olmadığında bile ortaklaşa

yönlenerek net spin manyetik momentleri

oluştururlar. Bu spin yönlenmesi domen adı

verilen oldukça geniş bölgelerde görülürler.

● Ferromanyetik malzemeler kalıcı manyetik

momente sahiptirler.

● Bu manyetik momentler rastgele

dizilmiştir.

● Bir dış alan uygulandığında manyetik

momentler kendilerini alan yönünde

sıralanırlar.

● Bu şekilde dış manyetik alanı önemli

ölçüde kuvvetlendirirler.

ferromanyetizma

Ferromanyetik bir malzemede manyetik dipollerin tamamı

dış alanla birlikte yönlendiklerinde mıknatıslanma

maksimum değerine ulaşır ve buna maksimum veya

doygunluk mıknatıslanması (Ms) denir.

Buna denk olan akı yoğunluğuna da doygunluk akı

yoğunluğu (Bs) denir.

Doygunluk mıknatıslanması her bir atomun net manyetik

momentinin atom sayısı (N) ile çarpımına eşittir

Ms = manyetik moment/atom x N

atom başına net manyetik moment

Demir: 2.22 B / Kobalt: 1.72 B / Nikel: 0.60 B

Doygunluk mıknatıslanması

1B = 9.27 x 10-24 A.m2

ferromanyetik malzemeler

tek atom

Manyetik

domen

Fe, Ni ve Co’dan oluşan küçük bir metal grubu

çok kuvvetli manyetik özellik sergiler.

Bu metaller ferromanyetik

malzemelerin en iyi bilinen

örnekleridir.

Benzer manyetik

yönlenmelere sahip

atomlar komşu atomlarla

birlikte manyetik domen

denilen gruplarda

toplanırlar.

Ferromanyetik bir malzemede manyetik domenler

kendilerini daima bir mıknatısı çekecek şekilde

yönlendirirler.

Eğer bir kuzey kutup yaklaşırsa güney kutupları bu kutbu

gören domenler büyür. Kuzey kutup yaklaşırsa tersi olur.


Kuzey kutup

tarafından

mıknatıslanma

güney kutup

tarafından

mıknatıslanma

Malzemelerin manyetik özellikleri Kuzey kutup

tarafından

mıknatıslanma

güney kutup

tarafından

mıknatıslanma mıknatıslanmamış

Ferromanyetizma Ferromanyetik malzemeler (Fe, Ni, Co ve alaşımları)

Komşu atomların manyetik momentleri arasındaki kuvvetli

etkileşim nedeniyle gelişigüzel yönlenmiş manyetik

domenlere sahiptir.

Bir manyetik alan uygulandığında bu alana paralel yönlenmiş

domenler büyürken diğerleri küçülür ve sonunda alana

paralel domen tüm yapıya hakim olur.

Bu aşamada doygunluk mıknatıslanmasına ulaşılmış olur.

8.9 g/cm3 yoğunluğa sahip Nikel için (a) doygunluk

mıknatıslanmasını ve doygunluk akı yoğunluğunu hesaplayın.

a) Doygunluk mıknatıslanması atom başına Bohr magneton

sayısı (Nikel için 0.60) ile Bohr magneton büyüklüğü (B) ve

birim hacimdeki atom sayısı (N) çarpımına eşittir:

Ms = 0.60 B N Birim hacimdeki atom sayısı;

N = NA/ANi = (8.9 x 106 g/m3) (6.022 x 1023 atom/mol)/58.71

g/mol = 9.13 x 1028 atom/m3

Ms = (0.60 Bohr magneton/atom) (9.27 x 10-24 A.m2/Bohr

magneton) (9.13 x 1028 atom/m3)

= 5.1 x 105 A/m

problem

1B = 9.27 x 10-24 A.m2

Bs = 0Ms

= (4 x 10-7 H/m) (5.1x 105 A/m)

= 0.64 T

problem

0M >> 0H

B ≈ 0M Bs 0Ms B = 0H + 0M

(b) doygunluk akı yoğunluğunu hesaplayın.

Ferromanyetik malzemelerde

antiferromanyetizma ● Komşu atom veya iyonların spin momentlerinin

birbirine zıt yönlenmelerine antiferromanyetizma

adı verilir.

● MnO iyonik karaktere sahip seramik bir

malzemedir ve antiferromanyetizma sergiler.

● Hem spin hem de yörünge momentleri birbirlerini

tamamen sildiklerinden O-2 iyonlarının net bir

manyetik momenti yoktur.

antiferromanyetizma ● Mn+2 iyonlarının elektron spin hareketinden

kaynaklanan net bir manyetik momenti vardır.

● Mn+2 iyonları kristal yapıda komşu iyonların

momentleri zıt olacak şekilde dizilirler.

● Doğal olarak zıt momentler birbirlerini yok ederler

ve bu durumda malzemenin net bir manyetik

momenti olmaz.

antiferromanyetizma ● Antiferromanyetizma paramanyetik atomlardan

oluşan maddelerde gözlenir.

● Malzemeyi oluşturan atomlar aynı büyüklükte

moment meydana getirmiş ve bunlar karşılıklı

etkileşme ile zıt yönlerde düzenlenmişse

birbirlerini yok ederler.

● Sonuçta madde diamanyetizma benzeri bir

davranışa sahip olacaktır ki bu özelliğe

Antiferromanyetizma denir.

antiferromanyetizma ● Antiferromanyetik maddeler tüm sıcaklıklarda

düşük doygunluk değerlerine sahiptirler.

● Antiferromanyetik maddelerde sıcaklıkla

doygunluğun değişimi bir kritik sıcaklıkta (Neel

sıcaklığı) maksimum değeri verir.

● Neel sıcaklığının altında antiferromanyetik

davranış gösterirken, üstünde paramanyetik

davranış gösterirler.

Ferrimanyetik malzemeler Bazı seramikler ferrimanyetizma denen kalıcı bir

mıknatıslanma sergilerler.

Farklı manyetik momente sahip malzemelerin

atomik mıknatısları birbirlerini yok etmezler.

r >>1 (r=103 gibi)

Örnek: Manyetit (Fe3O4)+ Ni

ferrimanyetizma ● Bu mineralde Fe iyonları 1:2 oranında olmak üzere

hem +2 hem de +3 valens hallerinde mevcuttur.

● Her bir Fe+2 ve Fe+3 iyonu için 4 ve 5 Bohr

magnetona denk net bir spin manyetik momenti

mevcuttur.

● O2- iyonları ise manyetik olarak nötrdür.

● Fe+2 ve Fe+3 iyonları arasında karakter itibarı ile

antiferromanyetizme benzeyen zıt spin

etkileşimleri bulunur.

● net ferrimanyetik moment spin momentlerinin

birbirlerini tam anlamıyla silmemiş olmasından

kaynaklanır.

ferrimanyetizma

Fe3O4’de Fe2+ ve

Fe3+ iyonları için

spin manyetik

momentlerinin

konfigürasyonu

ferrimanyetizma

Eksiksiz

silme

Oktahedral

kafes konumu

tetrahedral

kafes konumu

Net manyetik

moment katyon

Fe3+

Fe2+

ferrimanyetizma ● Ferro ve ferrimanyetik malzemelerin makroskopik

manyetik karakterleri birbirine benzer.

● Ayırt edici özellikleri, net manyetik momentlerin

kaynağındadır.

● Ferrimanyetizmin özellikleri kübik ferritlerde

görülür.

● Bu iyonik katıların kimyasal formülü MFe2O4

şeklinde ifade edilir.

● Buradaki M birkaç metalden birini temsil

etmektedir.

● Prototip ferrit için magnetit mineralini, Fe3O4,

düşünebiliriz.

ferrimanyetizma ● Ferrimanyetizma, maddede paramanyetik atomlar

tarafından iki veya daha fazla türde moment

oluşturulmuşsa gözlenebilen bir özelliktir.

● Farklı değerlerdeki momentlerin zıt yönlerde

dizilişlerinden bu momentlerin farklarına eşit bir

moment doğar, böylece ferrimanyetizma ortaya

çıkar.

● Ferrimanyetik maddeler ferromanyetiklere benzer

şekilde oda sıcaklığında kendiliğinden

manyetizasyonu olan endüstriyel açıdan daha

fazla önemi olan manyetik malzemelerdir.

Her bir kübik birim hücre 8 adet Fe2+ ve 16 Fe3+ iyonu

bulundurduğuna, kübik hücre kenar uzunluğu 0.839 nm

olduğuna göre, Fe3O4 için doygunluk mıknatıslanmasını

hesaplayın.

Doygunluk mıknatıslanması 1m3’deki Bohr magneton sayısı

(N) ile Bohr magnetonu manyetik momenti (B) çarpımına

eşittir.

Ms = NB

N birim hücredeki Bohr magnetonu sayısının (nB) birim

hücre hacmine (Vc) bölünmesi ile elde edilir:

N=nB/Vc

problem

Net mıknatıslanma sadece Fe2+ iyonlarından kaynaklanır.

Birim hücrede 8 adet Fe2+ iyonu ve her bir iyon için 4 Bohr

magnetonu olduğuna göre, nB=32 dir.

Ayrıca VC= a3

problem

Doygunluk mıknatıslanması 5.25 x 105 A/m olan

karma ferrit manyetik bir malzeme tasarlayın.

Fe3O4 için Doygunluk mıknatıslanması (Ms) 5 x 105 A/m dir. Ms

değerini 5.25 x 105 A/m e arttırmak için Fe2+ katyonlarının bir

kısmını manyetik momenti daha yüksek olan divalent bir iyon

ile, mesela Mn2+ ile değiştirmek gerekir. Fe2+ için 4 Bohr

magneton olan değer Mn2+ için 5 Bohr magnetondur.

Mn2+ ilavesi ile birim hücre kenar uzunluğunun değişmediğini

varsayarak birim hücrede kaç Bohr magneton (nB) olduğunu

hesaplayalım.

problem

nB = Ms a3/B = (5.25 x 105 A/m) (0.839 x 10-9 m)3/birim hücre

nB = 33.45 Bohr magneton / birim hücre

Fe2+ iyonlarının yerini alan Mn2+ iyonlarının oranı “x” olsun.

Kalan Fe2+ iyonlarının oranı = 1-x

Birim hücrede 2 değerlikli 8 iyon olduğuna göre,

8[5x + 4 (1-x)] = 33.45 x = 0.181

Fe3O4’de Fe2+ iyonlarının %18.1’i Mn2+ ile değiştirilirse Ms

değeri = 5.25 x 105 A/m olur.

9.27 x 10-24 Am2/Bohr magneton

No problem!

Manyetik davranışa sıcaklık etkisi ● Sıcaklığın artması atomların ısıl titreşimlerinin

artmasına yol açar.

● Atomik manyetik momentler rotasyon için

özgürdür. Artan sıcaklıkla atomların artan ısıl

hareketliliği yönlenmek isteyen momentlerin

dağınıklaşmasına yol açar.

● Ferromanyetik, antiferromanyetik ve ferrimanyetik

malzemelerde komşu atomik dipole momentleri

arasındaki uyum eğilimi ısıl hareketlilikten zarar

görür ve yükselen sıcaklık dış bir manyetik alan

olsa da olmasa da, dipole uyuşmazlıklarına yol

açar.

Manyetik davranışa sıcaklık etkisi

● Bu durum hem ferro hem de ferri mıknatıslar için

doygunluk manyetizasyonunda bir düşmeye neden

olur.

● Doygunluk manyetizasyonu ısıl titreşimlerin en

düşük seviyede olduğu 0 K’de maksimum değerine

ulaşır.

● Artan sıcaklıkla doygunluk manyetizasyonu giderek

azalır ve Curie sıcaklığında (Tc) birden sıfıra düşer.

● Tc’de spin uyum kuvvetleri tamamen zarar görür

ve bu sıcaklığın üstünde ferro ve ferrimanyetik

malzemeler paramanyetik hale geçer.

● Curie sıcaklığının büyüklüğü malzemeden

malzemeye değişir.

● Örneğin Fe, Co, Ni ve Fe3O4 için 768, 1120, 354

ve 585 C’dir.

● Antiferromanyetizm de sıcaklıktan etkilenir.

Antiferromanyetizm Neel sıcaklığında kaybolur.

● Neel sıcaklığı üstünde antiferromanyetik

malzemeler de paramanyetik olurlar.

Manyetik davranışa sıcaklık etkisi

Demir ve Fe3O4

için doygunluk

mıknatıslanma-

sının sıcaklığa

bağlı değişimi.

Manyetik davranışa sıcaklık etkisi Fe ve Fe3O4 için manyetizasyon sıcaklık ilişkisi

Sıcaklık (C)

Doygunlu

k m

ıknatı

slanm

ası

Ms (1

06 A

/m

)

Doygunlu

k a

kı yoğunlu

ğu B

s (g

auss

)

Saf

demir

Fe3O4

Manyetikliği Etkileyen faktörler

yapısal faktörler

Kristal türü ve iç yapı kusurları manyetikliği

önemli ölçüde etkiler.

deformasyon

Mıknatıslanan bir malzemede manyetik

momentler birbirlerine paraleldir.

Deformasyonla manyetik momentler yönleri

dağılır ve mıknatıslanma kaybolur.

● Tc sıcaklığı altında ferromanyetik ve

ferrimanyetik malzemelerde, manyetik dipol

momentlerinin paralel yönlendiği mikro

bölgeler bulunur.

● Bu bölgelere domen denir.

● Her biri kendi doygunluk mıknatıslanmasına

sahiptir.

● Bu bölgeler domen sınırları veya duvarları ile

birbirinden ayrılır.

● Mıknatıslanmanın yönü bu sınırlardan geçerken

değişir.

Domenler

● Çok kristalli bir malzemede her bir tanede birden

fazla domen bulunabilir.

● Dolayısı ile makro büyüklükteki bir parçada çok

sayıda domen vardır.

● Her bir domen manyetik alanda farklı yönlenebilir.

● Parçanın tümü için M alanının büyüklüğü

(mıknatıslanma) tüm domenlerin

mıknatıslanmalarının vektör toplamına eşittir.

● Her bir domenin katkısı hacim oranı ile orantılıdır.

● Mıknatıslanmamış bir parçada domenlerin

mıknatıslanmalarının toplamı sıfırdır.

Domenler

Domenler

Ferromanyetik veya

ferrimanyetik bir

malzemede her bir domen

içinde dipollerin tamamı

ayni yöndedir.

Ancak komşu domenlerde

bu ortak yön değişiktir.

Domen 1 Domen 2 Domen sınırı

Domen sınırında

manyetik dipol

yönlenmesindeki

kademeli değişim

Domenler

Domen sınırı

Domenler

Domenler Alnico mikroyapısı-domen

bantları TEM

Elektrik çeliğinin tek bir

tanesi içinde manyetik

domenler.

Foto genişliği 0.1mm. Kerr

etkisi ile çekilmiş (MOKE).

MOKE: Magneto Optik Kerr Etkisi

Mıknatıslanmış yüzeyin ışığı

yansıtmasındaki değişiklik

Domenler 1000 angström kalınlığında Kobalt filminde domen yapıları:

manyetik alan yok manyetik alan var- MOKE

http://www.google.com.tr/url?sa=i&rct=j&q=&esrc=s&source=images&cd=&cad=rja&uact=8&ved=0CAcQjRw&url=http://www.oxspin.org/Research.htm&ei=gLdBVdqYHobvUt7EgKAB&bvm=bv.92189499,d.ZWU&psig=AFQjCNGPCYSpcg5sftk-LbNwfaEirMZgpw&ust=1430456343375598

Manyetik Özelliklerin Ölçümü Manyetik malzemelerin özellikleri malzemenin B-

H histeresiz eğrisinden belirlenir.

Malzemeye H alanı

uygulanır ve bunun

sonucu olan B

ölçülür.

Ferro-ferrimanyetik

bir malzemede B-H

davranışı Doygunluk akı

yoğunluğu:Bs

mıknatıslanma: Ms

Domenler ve histerisiz

ilk manyetik

geçirgenlik:i

Ferro ve ferrimanyetik

malzemeler için akı

yoğunluğu (B) ve alan

şiddeti (H) orantılı

değil! dış Manyetik alan (H)

Akı

yoğunlu

ğu

(B

)

Mık

natısla

nm

a (

M)

Bs (Ms)

dış alanla paralel yönlenen domenler yönlenmeyenlere göre daha hızlı büyür.

Domenler

Manyetik

domenler

Manyetik alan yok! Manyetik alan etkisi!

mıknatıs

H arttıkça B önce yavaşça daha sonra süratle

artmaya başlar ve en

sonunda bu artış sona

erer ve B H’den bağımsız

hale gelir.

B’nin aldığı en yüksek

değere doygunluk akı

yoğunluğu (Bs), buna

denk gelen

mıknatıslanmaya

ise doygunluk

Mıknatıslanması denir.


B vs H eğrisinin eğimi geçirgenlik olduğundan,

geçirgenlik H ile

değişir ve ona bağlıdır.

B vs H eğrisinin H=0

noktasındaki

eğimi ilk geçirgenlik

(initial permeability)

bir malzeme

parametresidir.


● H alanı etkisi altında domenler şekil ve boyut

değiştirirler.

● Başlangıçta domenlerin momentleri rastgele

yönlenmiştir ve bu nedenle net bir mıknatıslanma

olmaz.

● Dışardan uygulanan alana paralel yönlenen

domenler diğerlerinden daha fazla büyür ve onların

yerini alır.

● alan şiddetinin artması ile en sonunda parça alan ile

ayni yönlenmede tek bir domen haline gelir.

● Bu domen H alanı ile birlikte yönlendiğinde

doygunluk gerçekleşir.


histerisiz Doygunluk noktasından itibaren H alan şiddeti

alanın yönü değiştirilerek

azaltıldığında B-H eğrisi orijinal

çizgisini takip etmez.

B alanının uygulanan

H alanının gerisinde

kalması veya daha

yavaş değişmesi ile

bir histerisiz etkisi

oluşur.

histerisiz H alanı sıfırlandığında parçada hala bir miktar

mıknatıslanma vardır. Buna remanens

veya remanens akı yoğunluğu (Br)

denir. Bir dış manyetik

alan (H) olmaksızın

malzeme mıknatıslanmış

olarak kalır.

Mıknatıslanma alan ters

yönde Hc değerine

ulaştığında sıfırlanır.

Hc: koersif kuvvet

histerisiz

Koersif

kuvvet

Kalıcı

mıknatıslanma

doygunluk

● Histerisiz davranışı ve kalıcı mıknatıslanma

domen sınırlarının hareketi ile açıklanabilir.

● Alan yönünün doygunluktan itibaren tersine

döndürülmesi ile domen yapısının değişim süreci

de tersine döner.

● İlk anda, tersine dönen alanla tek bir domenin

rotasyonu gerçekleşir.

● Daha sonra yeni alanla birlikte yönlenmiş

manyetik momentleri olan domenler oluşur ve

bunlar daha önceki domenlerin yerini alarak

büyür.

histerisiz

● Bu mekanizmada kritik olan manyetik alanın ters

yönde büyümesi sırasında domen sınırlarının

hareketlenmesine direnç konusudur.

● B’nin H değişime ayak uyduramaması ve geri

kalmasının ve bir histerisiz etkisi ortaya

çıkmasının nedeni bu dirençtir.

● Uygulanan alan sıfırlandığında yapıda hala hatırı

sayılır miktarda daha önceki alana göre

yönlenmiş domen bulunur.

● remanens (Br) bu şekilde ortaya çıkar.

histerisiz

histerisiz ● Parçadaki alanı sıfıra düşürmek için, orijinal

alanınkine ters yönde, Hc şiddetinde bir dış H alanı

uygulamak gerekir.

● Hc’ye koersivite veya koersif kuvvet denir.

● Ters yönde alan uygulanmasına devam edildikçe en

sonunda ters yönde doygunluk elde edilir.

● Alanın ikinci kez yön değiştirmesiyle tekrar ilk

doygunluk mıknatıslanma noktasına ulaşılır ve B-H

çevrimi bir histerisiz etkisi içerecek şekilde

tamamlanmış olur.

● Bu çevrimde negatif remanens (-Br) ve pozitif

koersivite (+Hc) değerleri de mevcuttur.

Ferro ve

ferrimanyetik

malzemelerinki

tipik lineer

olmayan bir

histerisiz davranışı

iken, para- ve

diamanyetik

malzemelerde

B’nin H ile değişimi

lineerdir.

histerisiz

Akı yoğunlu

ğu B

(te

sla)

Manyetik alan kuvveti, H (A/m)

ferromanyetik/

ferrimanyetik

Para/diamanyetik malzemeler

Akı yoğunlu

ğu B

(te

sla)


ferromanyetik/

ferrimanyetik

30 A/M şiddetindeki bir

manyetik alanda

Ferro/ferrimanyetik

malzemelerde

akı yoğunluğu

1.5 Tesla

Paramanyetik ve

diamanyetik

malzemelerde

0.00005 Tesla

Manyetik anizotropi Manyetik histerisiz eğrileri bazı faktörlere bağlı

olarak farklı şekiller alır.

● Malzemenin tek veya çok kristalli olması

● Çok kristalli olması halinde, tanelerin tercihli

yönlenmesi

● Gözenek veya ikinci faz partiküllerinin varlığı

● Sıcaklık ve stres uygulanmışsa, stres durumu

Mesela, ferromanyetik bir malzemenin tek kristali

için B (veya M) vs H eğrisi uygulanan H alanına göre

kristalin kristallografik yönlenmesine bağlıdır.

Manyetik anizotropi

Demir ve nikel tek

kristalleri için

manyetizasyon

eğrileri

Manyetik davranışın

kristallografik yöne

bağlı olmasına

manyetik anizotropi

denir.


Akı yoğunlu

ğu B

(te

sla)

Manyetik anizotropi

Kobalt tek

kristalleri için

manyetizasyon

eğrileri


Akı yoğunlu

ğu B

(te

sla)

● Bu malzemelerin her biri için mıknatıslanmanın en

kolay gerçekleştiği bir kristallografik yön vardır.

● Bu yönde doygunluk en küçük H alanı ile elde

edilir.

● Bu yöne kolay mıknatıslanma yönü denir.

● Örneğin, Nikelde bu yön [111] yönüdür. [110] ve

[100] yönlerinde doygunluk daha büyük H

alanlarında ortaya çıkar.

● Fe ve Co için kolay mıknatıslanma yönleri sırası ile

[100] ve [0001]’dir.

Manyetik anizotropi

Bunun tersi olarak zor kirtallografik yön, doygunluk

mıknatıslanmasına en zor ulaşılan yöndür.

Ni, Fe ve Co için zor mıknatıslanma yönleri sırası ile

[100], [111], ve [10-10]/[11-20] dır.

Kolay mıknatıslanma yönleri uygulanan H alanının

yönüne en yakın konumlanan domenler diğerlerinden

daha avantajlıdır ve diğerleri küçülürken onlar daha

çabuk büyür.

Manyetik anizotropi

Manyetik malzemeler

Manyetik malzemeler

Manyetik moment Bohr magnetons, B Elektron sayısı

Demirin 6 adet 3d elektronu var. Bunlardan 2 tanesi

ters spinli. Geriye kalan 4 elektrondan gelen 4 Bohr

magneton spin manyetik momentine sahip!

Kobaltın çiftlenmemiş 3, nikelin 2 elektronu var.

Yörünge momentlerini de hesaba kattığımızda,

Atom başına Fe; 2.22 μB / Co; 1.72 μB / Ni; 0.60 μB

Manyetik Malzemeler

Manyetik malzemeler aşağıdaki tabloda gösterildiği

gibi yok edici kuvvet (Hc) özelliklerine göre

sınıflandırılabilir.

Malzeme Tipi Hc (A/m) Uygulama

Yumuşak Hc<1000 Elektromıknatıs, trafo motor, jeneratör

Sert 50.000<Hc Hoparlör, video kayıt

cihazı, TV, saat

manyetik malzemeler Gerek ferro gerek ferrimanyetik malzemeler

histerisiz eğrilerinin karakterine göre ya sert ya da

yumuşak olarak tanımlanırlar.

Histerisiz eğrisi içinde kalan

alan B-H çevriminde

malzemenin birim hacminde

manyetik enerji kaybını temsil

eder.

Bu manyetik enerji kaybı

malzeme içinde ısınma

şeklinde gerçekleşir ve

malzeme sıcaklığı artar.

Yumuşak manyetik malzemeler ● Bu nedenle histerisiz eğrisi içinde kalan alan

küçük olmalıdır.

● Tipik olarak bu eğri ince ve dar olmalıdır.

● Bu durumda yumuşak manyetik malzemeler

yüksek bir erken geçirgenlik ve düşük

koersivite sahibi olmalıdır.

● Bu özelliklere sahip bir malzeme oldukça

zayıf bir alan uygulaması ile doygunluk

manyetizasyonuna ulaşabilir (kolayca

manyetize ve demanyetize olabilir).

Yumuşak Manyetik Malzemeler

Hc < 1000 A/m

Kolay mıknatıslanırlar.

Mıknatıslanmaları kolay

kaybolur.

Manyetik geçirgenlikleri

yüksektir.

Kalıcı mıknatıslanmaları

düşüktür.

Yok edici manyetik alan

kuvvetleri küçüktür.

yumuşak mıknatıslar

küçük koersif

kuvvet

yumuşak ferromanyetik

malzeme

İdeal

yumuşak

manyetik

malzeme

Yumuşak manyetik malzemeler

● Yumuşak manyetik malzemeler alternatif

manyetik alanlara maruz kalan ve bu

nedenle enerji kayıpları az olması gereken

cihazlarda kullanılırlar.

● Örnek: transformatörler; elektrik motorları

● Demir, metal türü yumuşak manyetik

malzemedir.

● Doygunluk akı yoğunluğu veya

mıknatıslanma sadece malzeme bileşimi

tarafından belirlenir.

● Örneğin kübik ferritlerde, FeO–Fe2O’de

Fe2+ metal iyonunun Ni2+ gibi divalent

metal iyonu ile yer değiştirmesi doygunluk

mıknatıslanmasını değiştirecektir.

● Ancak, histerisiz eğrisinin şeklini belirleyen

duyarlılık ve koersivite (Hc) bileşimden

ziyade yapısal değişkenlerden etkilenir.


● düşük bir koersivite değeri manyetik alanın

şiddeti ve/veya yönü değiştiğinde doman

sınırlarının kolayca hareket edebilmesi

demektir.

● Manyetik malzemede manyetik olmayan bir

fazın partikülleri veya boşluklar vb yapısal

hatalar domen sınırlarının hareketini

engelleyerek koersiviteyi arttırırlar.

● Dolayısı ile yumuşak manyetik malzemelerde

bu gibi hatalar bulunmamalıdır.


● Yumuşak manyetik malzemeler için önemli bir

diğer özellik elektrik direncidir.

● Histerisiz enerji kayıplarına ilave olarak, manyetik

malzemelerde zamanla manyetik alan şiddeti ve

yönündeki değişiklikle Eddy akımları oluşur ve

enerji kaybına yol açar.

● Yumuşak manyetik malzemelerde Eddy akım

kayıplarını, elektriksel direnci arttırarak en aza

indirmek isteriz.

● Bu nedenle Ferromanyetik malzemeler saf demir

yerine katı eriyik alaşımlarından (Fe-Si ve Fe-Ni

alaşımları) imal edilir.


● Doğal yalıtkan oldukları için seramik ferritler

yumuşak manyetik malzemelere gerek duyulan

uygulamalarda yaygın olarak kullanılırlar.

● Ancak, oldukça küçük duyarlılıkları olduğu için

kullanımları sınırlıdır.

● Yumuşak manyetik malzemelerin histerisiz

kayıpları bazı uygulamalar için manyetik alanda bir

ısıl işlemle daha da küçültülebilir.

● Yumuşak manyetik malzemeler jeneratörlerde,

motorlarda, dinamolarda ve anahtarlı devrelerde

yaygın olarak kullanılırlar.


Transformatör çekirdekleri ● Transformatör çekirdeklerinde kolayca

mıknatıslanıp, bu mıknatıslanmayı kolayca

kaybeden yumuşak manyetik malzemelerin

kullanılması gerekir.

● İdeali, manyetik anizotropik olan tek kristallerin

kullanılmasıdır. Ancak tek kristallerin üretimi

maliyetlidir. Bunun yerine haddeleme ile yönlenme

sağlanmış elektrik sacları kullanılır.

● Hadde ile kolay mıknatıslanma yönü uygulanan

manyetik alana paralel olacak şekilde üretilen

elektrik sacları ile tek kristaller kadar olmasa da,

çekirdek kayıpları sınırlıdır.

Silisli demir-elektrik sacı

Primer

sarım sekonder

sarım

Demir alaşımlı çekirdek

B alanı

Hadde

düzlemi

Hadde yönü

[001] yönü (110)

düzlemi

Hadde ile kolay mıknatıslanma yönü uygulanan

manyetik alana paralel olacak şekilde üretilen

elektrik sacları ile tek kristaller kadar olmasa da,

çekirdek kayıpları sınırlıdır : Fe-3Si

Silisli demir-elektrik sacı ● 1900’da demire silisyum ilave edilmesinin yararlı olduğu

anlaşıldı.

● %3 kadar Si sadece geçirgenliği arttırmakla kalmadı,

alaşımsız demire göre koersif kuvveti de düşürdü.

● Kütle metal çekirdekler yerine laminasyon sac plakalar

kullanılarak Eddy akım hatları kesildi ve böylece çekirdek

kayıpları azaltıldı.

● Hidrojen tavları ile karbon miktarı düşürülerek, tane çapı

ayarlanarak, haddeleme ile uygun tekstür oluşturularak,

tabaka levha içinde çekme gerilmeleri oluşturularak

histerisiz kayıpları daha da azaltıldı.

● Zamanla çekirdek kayıpları 8W/kg’dan 0.4W /kg seviyesine

düştü.

Yumuşak Manyetik Malzemeler malzeme bileşim İlk bağıl

geçirgenlik

(i)

Doygunluk akı

yoğunluğu Bs

(tesla)

Histerisiz

kaybı

(J/m3)

Direnç

(.m)

Ticari demir

ingot

99.95 Fe 150 2.14 270 1.0 x

10-7

Yönlenmiş

Si-Fe

97Fe-3Si 1400 2.01 40 4.7 x

10-7

45 permaloy 55Fe-45Ni 2500 1.60 120 4.5 x

10-7

supermaloy 79Ni, 15Fe,

5Mo, 0.5Mn 75000 0.80 - 6.0 x

10-7

Ferroxcube A 48

MnFe2O4,

52 ZnFe2O4

1400 0.33 40 2000

Ferroxcube B 36 NiFe2O4,

64 ZnFe2O4

650 0.36 35 107

Sert manyetik malzemeler

uygulanan Manyetik alan (H)

Manyetik alan yok

iken durum

B

H alanı uygula ve

yönlenme sağla

Mıknatıslanmanın

sona ermesi için

negatif alan

uygulamak gerekir!

koersivite, HC

H alanını kaldır,

yönlenme kalır!

=> Kalıcı mıknatıs!

Sert Manyetik Malzemeler

Hc > 50000 A/m

sert manyetik malzemeler

yüksek bir remanens, koersivite

ve doygunluk akı yoğunluğuna

ilave olarak düşük bir erken

geçirgenlik ve geniş bir

histerisize sahip olmalıdır.

Kalıcı manyetiklikleri yüksektir.

Yok edici manyetik alan

kuvvetleri büyüktür.

Histerezis eğrileri uzun ve

geniştir.

Sert mıknatıslar

Büyük koersif

kuvvet

Sert ferromanyetik

malzeme

İdeal sert

manyetik

malzeme


B-H eğrisinin

2. çeyreği içine

sığabilen en büyük B-H

dikdörtgeninin alanı.

Birimi kJ/m3 (MGOe).

(BH)max, sert bir

mıknatısı demanyetize

etmek için gerekli

enerjiyi temsil eder.

Bu malzemelerin uygulama alanlarında en önemli

özellikler: koersivite ve enerji çarpanıdır: (BH)max


● (BH)max ne kadar büyük ise, malzeme manyetik

özellikleri yönünden o kadar serttir.

● Histerisiz davranışı, manyetik domen sınırlarının

hareketliliğine bağılıdır.

● Domen sınırlarının hareketi engellenerek,

koersivite ve duyarlılık arttırılabilir ve bu şekilde

demanyetizasyon için kuvvetli bir dış alan gerekli

olur.

● Bu özellikler malzemenin mikroyapısı ile ilişkilidir.

Sert Manyetik Malzemeler Endüstride kullanılan en önemli sert

ferromanyetik malzeme alnico alaşımlarıdır.

(%50’si Al, Ni, Co, geri kalanı Fe).

Sert manyetik malzemeler, mıknatıslanma

kaybına yüksek direnç göstermesi gereken

kalıcı mıknatısların imalatında kullanılırlar.

Hoparlör

Video kayıt cihazı

TV

sert manyetik malzemeler ● Bu mıknatıslar hiçbir manyetik alan yardımı

olmaksızın kullanılmak üzere yapılmışlardır.

● Kalıcı (sert) mıknatıslar ilk başta manyetik alan

yardımıyla mıknatıslanırlar ve bu özelliklerini

devam ettirirler.

Sert manyetik malzemeler 2 gruba ayrılırlar.

Geleneksel ve

yüksek enerji mıknatısları

sert manyetik malzemeler ● Geleneksel olanlarda (BH)max değerleri yaklaşık 2

ile 80 kJ/m3 (0.25 and 10 MGOe) arasında değişir.

● Bu malzemeler mıknatıs çelikleri, Cunife (Cu–Ni–

Fe) alaşımları, Alnico (Al–Ni–Co) alaşımları—ve

hekzagonal ferritler BaO–6Fe2O3 dir.

● Sert mıknatıs çelikleri genellikle Tungsten ve/veya

Cr ile alaşımlanırlar.

● Uygun ısıl işlemle bu 2 element karbon ile

birleşerek W- ve Cr-karbürleri yaparlar.

● Bu karbürler domen sınırlarının hareketini engeller

ve manyetik sertliği arttırırlar.

Kalıcı Mıknatıslar Geleneksel Kalıcı Mıknatıs Çeşitleri:

Çelik: Karbon, alaşım ve paslanmaz türde

çeşitleri vardır.

Alnico: Alüminyum, Nikel ve Kobaltın demir

esasıyla karıştırılması ile elde edilir.

Ferrit: Fe2O3 ihtiva eder. Manyetik özellikleri çok

kolay bir biçimde kullanılmasını mümkün kılar.

Kalıcı Mıknatıslar Mıknatıs taşı:

ilk kalıcı mıknatıs: Doğada bulunan Fe3O4.

Üretilen manyetik alan düşük fakat mıknatıslanma kaybına

direnç bir hayli yüksek.

Manyetik karbon çeliği:

18. Yüzyılda geliştirilmiş!

Domen hareketlerini sınırlamak üzere uygun ısıl işlemle

karbür çökeltileri oluşturmaları için W ve/veya Cr ile

alaşımlanmış çelikler.

Alnico Mıknatısları: (alloys based on Al, Co, and Ni)

1930’larda geliştirilen ilk modern mıknatıslar.

Yüksek Curie sıcaklıkları (~850°C) sayesinde günümüzde hala

kullanılıyorlar.

Kalıcı Mıknatıslar Kobalt Platin mıknatısları:

1950‘lerde geliştirildi. Daha üstün manyetik

özellikleri ve korozyon dirençleri biyomedikal

uygulamalarda işe yaradı. Fakat pahalı.

Sert ferritler: (BaFe12O19 / SrFe12O19)

son yıllarda en önemli ticari kalıcı mıknatıslar.

Anizotropik yapıları sayesinde oldukça yüksek bir

koersif kuvvete sahipler. Fakat enerji çarpanları

düşük.

Hammaddesinin bol olması ve kolayca ve ucuza

bulunması cazip yapıyor.

Yüksek enerji sert mıknatısları

● (BH)max değeri en az 80 kJ/m3 (10 MGOe) olan sert

manyetik malzemeler yüksek enerji mıknatısları

olarak bilinirler.

● Bu malzemeler son yıllarda geliştirilen değişik

bileşimlerde metaller arası bileşiklerdir.

● En popüler 2 tanesi:

SmCo5

Nd2Fe14B.

Yüksek enerji sert mıknatısları

● SmCo5 mıknatısları için BHmax değerleri 120 ile 240

kJ/m3 (15 and 30 MGOe) arasındadır. Geleneksel

mıknatısların enerji çarpan değerinden bir hayli

yüksektir.

● Ayrıca Sm-Co’ların koersiviteleri de yüksektir.

● Toz metalürjisi teknikleri ile üretilirler.

● Önceden uygun şekilde hazırlanmış alaşım

öğütülür ve toz taneleri manyetik alanda

yönlendirilir ve arzu edilen şekilde preslenir.

Samarium–Cobalt mıknatısları

● Preslenmiş parça yüksek sıcaklıklarda sinterlenir

ve son olarak manyetik özellikleri geliştirmek için

ayrı bir ısıl işlem uygulanır.

● Samaryum nadir ve pahalı bir elementtir. Diğer

yandan kobaltın fiyatı da oldukça değişken ve

kaynakları güvenilmezdir.

Samarium–Cobalt mıknatısları

sert mıknatısların PM üretimi

alaşımın hazırlanması

d<0.5mm tane boyutuna mekanik kırma

daha küçük boyutlara öğütme

manyetik alanda yönlendirme ve presleme

sinterleme

tornalama

mıknatıslama

● Sm nadir ve pahalı bir element, Co fiyatı da

değişken olduğu için Nd-Fe-B mıknatısları tercih

edilen yüksek enerji mıknatısları olmuştur.

● Bu mıknatısların enerji çarpan değerleri Sm-Co

mıknatısları ile yarışır seviyededir.

● İlk kez 1984’de üretilmiştir.

● Curie sıcaklıkları düşüktür (312°C); bu nedenle

yüksek sıcaklık uygulamalarına uygun değildir.

● Minyatürleşmenin kritik olduğu uygulamalarda

yaygın olarak kullanılmaktadır.

Neodmiyum–demir–bor mıknatısları

● mıknatıslanma ve de-mıknatıslanma domen sınırı

hareketliliğine ve bu da malzeme mikroyapısı, yani

tanelerin boyutu, şekli ve yönlenmeleri, ikinci faz

partikülleri ve dağılımları ile ilişkilidir.

● malzeme mikroyapı özellikleri nasıl üretildiklerine

bağlıdır.

● Nd2Fe14B mıknatıslarının üretiminde 2 farklı proses

süreci vardır.

● Toz metalurjisi (sinterleme) ve hızlı katılaştırma

(sıvı savurma). Toz metalurjisi pratiği SmCo5

malzemeninkine benzerdir.


● Hızlı katılaştırma ise, alaşım sıvı halden çok yüksek

hızlarda katılaştırılarak ya amorf ya da çok küçük

taneli ince bir şerit elde edilir.

● Bu şerit daha sonra toza dönüştürülür ve arzu

edilen şekle preslenip ısıl işlem uygulanır.

● Daha sık uygulanan hızlı katılaştırma prosesidir.



Neodmiyum–demir–bor mıknatısları Döküm ingot

Hidrojen doplaması ile ingot

ufalanıyor

Ön Öğütme ile parça boyutu

5mm seviyesine –asal gaz

Her bir tane tek kristal

oluncaya kadar öğütme

Manyetik alanda

yönlendirme

Presleme (%60 yoğunluk)

1060 C’de 1 saat sinterleme

tornalama


Yüksek enerjili mıknatıslar ● Yüksek enerji mıknatıslar için yaygın bir uygulama

motorlardır.

● Mıknatıslar, manyetik alanları elektrik enerjisi

tüketmeden kesintisiz var olduğu için elektro-

mıknatıslardan çok daha üstündür. Çalışma sırasında

ısınma olayı da yoktur.

● Mıknatıs kullanan motorlar elektromıknatıs

kullananlardan çok daha küçüktür.

● Popüler motor uygulamaları: kablosuz matkap,

tornavida, otomobillerde cam silecekleri, yıkayıcıları,

fan motorları, ses ve görüntü kayıt ediciler, saatler

● Bu mıknatısları kullanan diğer uygulamalar ses

sistemlerindeki hoparlörler, hafif kulaklıklar, işitme

cihazları, bilgisayar donanımları.

Sert Manyetik Malzemeler

malzeme bileşim Remnans,

Br, tesla

Koersivite, Hc,

amp-sarım/m

Tungsten çeliği 92.8 Fe, 6W, 0.5Cr,

0.7C 0.95 5900

CuNiFe 20 Fe, 20 Ni, 60 Cu 0.54 44000

Sinter AlNiCo 8 34 Fe, 7 Al, 15 Ni,

35 Co, 4 Cu, 5 Ti 0.76 125000

Sinter ferrit 3 BaO-6Fe2O3 0.32 240000

Co nadir toprak SmCo5 0.92 720000

Sinter Nd-Fe-B Nd2Fe14B 1.16 848000

sert manyetik malzemeler

sert manyetik malzemeler Sert manyetik malzemelerin en önemli uygulama alanlarından biri

motorlardır.

Mıknatıslanmaları kalıcı olduğu ve uzun sürelerle korunduğu,

elektrik enerjisi kullanılmadığı ve ısınma yaşanmadığı için elektro

mıknatıslardan çok daha üstündür.

Sert mıknatıs kullanan motorlar elektro mıknatıs kullananlardan çok

daha küçüktür.

Küçük aletlerde sert mıknatıslar motor uygulamalarında çok

caziptir.

Kablosuz matkaplarda, vidalama ünitelerinde, otomobillerde cam

sileceklerinde, su püskürtücülerinde, kontak devrelerinde,

havalandırma sistemlerinde, kayıt cihazlarında, saatlerde sert

mıknatıslar tercih edilmektedir.

Sert mıknatıslardan yararlanılan diğer uygulamalar arasında audio

sistemlerindeki hoparlörler, kulaklıklar, bilgisayar donanımları

vardır.

Manyetik depolama ● Bilgi depolama işlerinde manyetik malzemeler

önemlidir. Dijital bilginin saklanmasında manyetik

kayıtlar yegane teknoloji haline gelmiştir.

● Masaüstü ve diz üstü bilgisayarlar, ipod ve MP3 çalıcılar,

yüksek tanımlı video kayıt cihazları, kredi kartları ve

benzeri disk saklama ortamlarının yaygınlığı manyetik

malzemelerin önemini ortaya koymaktadır.

● Bilgisayarlarda ise, öncelikli depolama işleri için yarı

iletken malzemeler ön plandadır; manyetik hard

diskler daha fazla bilgiyi daha ekonomik

saklayabildikleri için ikincil depolama için kullanılırlar.

Ancak manyetik kayıt ve depolama işinde transfer

hızları daha yavaştır.

Manyetik depolama ● 2 tür manyetik kayıt ortamı vardır: manyetik

bantlar ve hard disk sürücüleri

● Manyetik bantlarda uç, yazma ve okuma

operasyonları sırasında manyetik saklama ortamı ile

temas halindedir. Bant hızları 10 m/s kadardır.

● Hard disklerde bu uç manyetik maddeye çok yakın

ve onun hemen üstünde yer alır ve manyetik ortam

çok yüksek devir hızlarında hareket ederken

kendiliğinden oluşan bir hava yastığı üzerinde

tutulur.

Manyetik depolama ● Kayıt ve televizyon endüstrileri ses ve görüntü kayıt

ve tekrar üretim işleri için büyük ölçüde manyetik

bantlara güvenmektedir.

● Kompüter bitleri, ses ve görüntüler bir teyp veya disk

şeklindeki manyetik depolama ortamının çok küçük

bölümlerine manyetik olarak kaydedilir.

● Manyetik depolamada bilgiler + ve – mıknatıslanma

seviyelerine denk gelecek şekilde “1” ve “0” olarak

dijital olarak saklanırlar.

● Bu transfer (yazma) ve kaydedileni alma (okuma)

işlemi okuma ve yazma kısımları olan bir kayıt

sistemi tarafından gerçekleştirilir.

Manyetik bantlar hard disk sürücülerinden daha önce geliştirilmiştir.

Bugün bant kaydı hard disk sürücülerden daha

ucuzdur fakat birim alana kaydedilebilen bilgi miktarı

bantlarda 100 kat daha azdır.

kayıt-saklama işinde kullanılan bantlarda kayıt

ortamındaki partiküller: birkaç on nanometre

boyunda

(a) İğne şekilli

ferromanyetik metal

CoPtCr veya CoCrTa

partikülleri

(b) Plaka şekilli baryum-

ferrit partikülleri

● Bantlar uygulamaya göre bu partiküllerden sadece

birini kullanır.

● Bu partiküller organik bir bağlayıcı içinde

mükemmel bir şekilde dağıtılır ve 50 nm

kalınlığında manyetik bir tabaka oluşturulur.

● Bu tabakanın altında manyetik olmayan altlık

vardır.

● Her iki partikül de anizotropiktir; yani kolay

indüklenme yönü vardır.

Manyetik bantlar

Manyetik bantlar

Bant kasetlerinin yüksek kapasiteli olmaları

avantaj oluştururken sıralı erişimli bir kayıt

ortamı olmaları dezavantajdır.

Yani bant kasetlerinin başındaki veya sonundaki

bilgiye ulaşmak için ileri/geri sardırma gerekir.

Bant kasetlerinin bilgi depolama kapasiteleri

600 MB ile 200 GB arasındadır.

Manyetik Kayıt Ortamları

Hard disk sürücüler ● Manyetik saklama için kullanılan hard disk sürücüleri çapları

65 mm ile 95 mm arasında değişen rijid dairesel disklerden

ibarettir.

● Yazma ve okuma sırasında disklerin rotasyon hızı 5400-7200

devir/dk seviyelerindedir.

● Hard disk sürücüleri ile

Hızlı kayıt ve okuma ve

yüksek yoğunlukta

kayıt yapmak

imkanı

vardır.

Dönüş kutbu Akış çizgileri

esas

kutup

Kayıt ucu

Yumuşak

altlık

Kayıt

tabakası

okuma

ucu

Hard disk sürücüler Hard disk

sürücülerinde

kullanılan manyetik

kayıt ortamının

TEM görüntüsü. Bu

granüler ortam

birbirlerinden tane

sınırına segrege

olmuş oksitlerle

birbirlerinden

ayrılmış Co-Cr

alaşım tanelerinden

oluşur.

Manyetik Kayıt Ortamları Disk ya da kaset üzerinde çok sayıda gözle

görülmeyen küçük manyetik izler (track) vardır.

Floppy diskin gerçek iç

görüntüsü

Görünmeyen manyetik

izler

Manyetik Kayıt Ortamları Floopy Diskler

Floppy diskler kaset bantları ile aynı

malzemeden yapılmıştır.

Ancak şekil itibarı ile teyp kasetleri gibi şerit

şeklinde olmayıp yassı disk şeklindedir.

Manyetik bant kasetlerinin aksine bilgiye

doğrudan erişilebilir.

özet Temel kavramlar

● malzemelerin makroskopik manyetik özellikleri

malzemenin atomlarının manyetik dipol momentleri

ile bir dış manyetik alan etkileşiminin sonucudur.

● bir bobin içindeki manyetik alan kuvveti (H) sarım

sayısı ve akımın şiddeti ile doğru, bobin uzunluğu ile

ters orantılıdır.

● manyetik akı yoğunluğu ve manyetik alan kuvveti

birbirleri ile orantılıdır.

● Vakumdaki orantı katsayısı vakumun geçirgenliği,

ortamda bir malzeme bulunduğunda malzemenin

geçirgenliğidir.

özet ● her bir elektronun hem yörünge hem de spin

manyetik momenti vardır.

● bir elektronun yörünge manyetik momenti Bohr

magneton değeri ile elektronun manyetik kuantum

sayısının çarpımına eşittir. Spin manyetik momenti

Bohr magnetonun + veya – işaretli değeridir. (yukarı

spinler için +, aşağı spinler için -)

● Bir atom için net manyetik moment her bir

elektrondan gelen katkıların toplamına eşittir.

● Elektron çiftlerinin spin ve yörünge momentleri

birbirlerini siler. Bu silme durumları tamamlandığında

atomun net bir manyetik momenti olmaz.

özet ● Diamanyetizma bir dış alan etkisinde elektron

yörünge hareketlerinde meydana gelen değişimlerden

kaynaklanır.

● Bu etki çok küçüktür ve uygulanan alana ters

yöndedir.

● Paramanyetik malzemeler kalıcı atomik momentleri

olan malzemelerdir.

● Dipoller bir dış alandan etkilenir ve ona paralel

yönlenirler

● Diamanyetik ve paramanyetik malzemeler non-

manyetik kabul edilirler çünkü mıknatıslanmalar çok

küçük olup sadece sadece bir dış alan varken vardır.

özet Ferromanyetizma

● Büyük ve kalıcı mıknatıslanmalar ferromanyetik

malzemelerde (Fe,Co, Ni) elde edilir.

● Atomik manyetik dipol momentleri spin kaynaklıdır

ve komşu atomların momentleri ile birleşip ortak

yönlenirler.

özet Antiferromanyetizm ve ferrimanyetizm

● Bazı iyonik malzemelerde komşu katyonların spin

momentlerinin zıt yönde eşleşmesine rastlanır. Spin

momentlerinin tamamen silindiği malzemeler

antiferromanyetik olarak adlandırılırlar.

● Ferrimanyetik malzemelerde spin moment silinmesi

tamamlanmamıştır ve bu nedenle kalıcı bir

manyetizma mümkündür.

● Kübik ferritler için net manyetikleşme oktahedral

kafes konumlarında bulunan ve spin momentleri

ortaklaşa yönlenen divalent iyonlardan (Fe+2)

kaynaklanır.

özet ● Artan sıcaklıkla artan ısıl titreşimler ferromanyetik

ve ferrimanyetik malzemelerde dipol eşleşme

kuvvetlerini boşa çıkarır.

● Sonuçta, doygunluk manyetizasyonu sıcaklıkla

Curie noktasına (Tc) kadar giderek azalır ve

kaybolur. Curie sıcaklığında ise sıfıra iner.

● Tc üstündeki sıcaklıklarda ferromanyetik ve

ferrimanyetik malzemeler paramanyetiktir.

özet Domenler ve histerisiz

● Curie noktası altında ferromanyetik veya

ferrimanyetik malzemeler domenlerden oluşur.

Domenler bütün dipol momentlerinin ortaklaşa

yönlendiği küçük hacim elemanlarıdır.

● Malzemenin toplam mıknatıslanmaları bütün

domenlerin mıknatıslanmalarının vektör toplamıdır.

● Bir dış manyetik alan uygulandığında alana paralel

yönde mıknatıslanmaları vektörleri olan domenler

büyür ve alana uygun yönlenmemiş diğerleri azalır.

özet ● doygunluk manyetizasyonunda parça dış alan ile

paralel yönlenmiş tek bir domendir.

● manyetik alan şiddetinin artması veya yönünün

değişmesi durumunda domen yapısının değişimi

domen sınırlarının hareketi ile gerçekleşir.

● Hem histerisiz hem de kalıcı mıknatıslanma domen

sınırlarının hareketine dirençten kaynaklanır.

● eksiksiz bir histerisiz eğrisinden ferromanyetik ve

ferrimanyetik malzemeler için

Remanens—H=0 iken B alanının değeri (Br)

koersivite—B=0 iken H alanının değeri (Hc)

elde edilir.

özet Manyetik anizotropi

● M(B) vs H ilişkisi ferromanyetik tek kristaller için

anizotropiktir—yani manyetik alanın uygulandığı

kristallografik yöne bağlıdır.

● doygunluk mıknatıslanmasının en küçük H alanında

elde edildiği kristallografik yön kolay

mıknatıslanma yönüdür.

● Fe, Ni, ve Co için kolay mıknatıslanma yönleri sırası

ile [100], [111] ve [0001] dir.

● manyetik demir esaslı alaşımlardan imal edilen

transformatör çekirdeklerinde kayıpları en aza

indirmek için bu kolay mıknatıslanma yönlerinden

yararlanılabilir.

özet Yumuşak-sert manyetik malzemeler

● yumuşak manyetik malzemelerde domen sınırı

hareketi dirençle karşılaşmaz, kolaydır.

● Bu sayede dar histerisiz eğrileri ve düşük enerji

kaybı gösterirler.

● sert manyetik malzemeler için domen sınırı

hareketi çok daha güçtür.

● Bu nedenle histerisiz çevrimleri geniş ve büyük

enerji kayıpları yüksektir. Bu malzemeleri

demanyetize etmek için çok daha büyük alanlar

gerekir.

● Mıknatıslanma kalıcıdır.

özet Manyetik depolama

● veri depolaması manyetik malzemelerle yapılır. Bu

amaçla kullanılan 2 manyetik ortam hard disk

sürücüleri ve manyetik bantlardır.

● hard disk sürücülerinde kullanılan kayıt malzemesi

HCP yapılı Co-Cr alaşımın nanometre boyutlu

taneleridir. Bu taneler kolay manyetikleşme yönleri

([0001]) disk düzlemine dik olacak şekilde

yerleşmiştir.

● bant esaslı veri depolamada, ya iğnesel şekilli

ferromanyetik metal tanecikleri ya da yassı şekilli

ferromanyetik baryum–ferrit taneleri kullanılır.

Partikül boyutu birkaç 10 nanometre kadardır.

Manyetik alanda malzeme davranışları:

ferri- veya ferro-manyetik (yüksek mıknatıslanma)

paramanyetik (zayıf mıknatıslanma))

diamanyetik (ters manyetik moment)

Sert mıknatıslar: yüksek koersivite

Yumuşak mıknatıslar: düşük koersivite

Manyetik depolama

polimer filmlerinde partiküller: bant veya flopy

şeklinde g-Fe2O3

cam disk üzerinde CoPtCr veya CoCrTa ince filmleri

(hard drive)

özetin özeti

Documents

Ders 9-TERMAL-MANYETİK