Materiale Magnetice

Materiale magnetice 1

3. Materiale magnetice3.1 Definiii i relaii generale

Dac se analizeaz liniile de cmp generate de un magnet permanent i cele generate de trecerea unuicurent electric printr-o bobin, ca i n figura 3.1, se observ asemnarea dintre acestea. Deci un curentelectric poate fi o surs de cmp magnetic. Magnetismul unei bobine fr miez magnetic este rezultatulunui curent electric, care reprezint de fapt deplasarea electronilor pe o anumit distan. Cmpulmagnetic poate fi produs prin deplasarea particolelor ncrcate cu sarcin electric nelectromagnei (deplasarea electronilor printr-o bobin conectat la o surs de tensiune) sau n magneipermaneni (micarea de spin a electronilor).

De ce anumite materiale sunt magnetice i altele nu? Ce materiale sunt potrivite pentru realizareamagneilor permaneni? Ce materiale sunt potrivite pentru realizarea miezurilor magnetice dintransformatoare?

N S

I

a b

Figura 3.1 Liniile de cmp generate dea) un magnet permanent b) o bobin parcurs de un

curentFig. 3.2 Cmpul magnetic produs de

curentul printr-un conductor


The maximum Cuplul maxim dezvoltat de un inductor este

cuplul maxim = NISB (3.1)

Cantitatea NIS se numete moment magnetic al bobinei. Pentru o singur bucl de curentmomentul magnetic este

(3.2)SIm

I

mS

Fig. 3.3Momentulmagnetic

Principalasurs demagnetismpentru unmaterial solido reprezintmicarea despin aelectronilor

magnetizaia materialului [A/m] (3.3)

Momentul magnetic elementar, asociat cu micarea de spin a unui singur electron senumete magneton Bohr =9,2710-24 Am2.

Volum

SI

Volum

mM

Fig. 3.4Momentul magnetic produs de miscarea electronilor

a) micarea orbital b) micarea de spin


Regula mainii drepte:

Degetul mare indica directiasi sensul liniilor de camp,celelalte degete indicadirectia si sensul curentului.


Interaciunea dintre un material magnetic i cmpul magnetic se poate exprima prin relaia:

(3.4) HMHJHB r 000 J [T] se numete polarizaie magnetic. Astfel J=0M unde 0 = 410-7 [H/m] permeabilitatea magnetic avidului. Termenul r se numete permeabilitate relativ a materialului.

(3.5)

Termenul M/H se numetesusceptibilitate magnetic.

mr H

M

H

MH

11

Materialele pot fi grupate n trei categoriigenerale:-materiale diamagnetice

r este mai mic dect 1Example: ap, plastic, mercur, aur

-materiale paramagneticer este puin mai mare dect 1

Example: aluminiu, bariu

-materiale feromagnetice i ferimagneticer este mult mai mare dect 1

Materialele feromagnetice sunt metale (fier, nichel, cobalt i aliaje ale acestora) iar celeferimagnetice sunt materiale ceramice (combinaii ale unor oxizi de de fier, nichel, mangan).Materialele feromagnetice i cele ferimagnetice sunt de fapt materialele magnetice utilizate nelectronic

H

B

r=1

B

H

r=1

diamagnetic

paramagnetic

Fig. 3.5 Dependena B(H pentru) materialea) nemagnetice b) magnetice

a b


domeniu Weiss

moment magneticatomic

domenii Weiss

domenii Weiss

perete Bloch

Fig 3.6 Domeniile Weiss in materialele feromagnetice

Materialele feromagnetice se caracterizeaz prindomenii de magnetizare spontan. ntr-un astfel dedomeniu, numit domeniu Weiss, momentele magneticeelementare au aceeai direcie i acelai sens. Trecereade la un domeniu Weiss la altul se realizeaz de-a lungulunei zone numit perete Bloch, care are limea deaproximativ 5nm.

Volumul unui domeniu Weisseste cuprins ntre 10-6-10-2m3,iar grosimea aproximativ 10msi cuprinde intre 106 si 109

atomi.

Fig. 3.7 Domeniile Weiss pentru materiale antiferomagnetice,ferimagnetice i feromagnetice

Structura cristalin a materialelor antiferomagnetice(oxizii unor materiale feromagnetice) este caracterizat dedomenii Weiss n care exist dou subreele magnetice cumagnetizaie spontan pentru care momentele magneticeelementare sunt paralele, orientate n sens opus i egale nvaloare absolut. Materialele ferimagnetice, numite iferite, sunt caracterizate de domenii Weiss desprite deperei Bloch ca i n cazul materialelor feromagnetice, nsstructura cristalin a unui domeniu Weiss estecaracterizat de dou subreele magnetice cu magnetizaiespontan pentru care momentele magnetice sunt paralele,orientate n sens opus, dar de valori diferite.

O caracteristic important a materialelormagnetice este anizotropia magnetic.Aceasta nseamn c proprietile magneticesunt dependente de anumite direcii. Astfelpentru anumite direcii prefereniale ale linilorde cmp, magnetizarea materialului serealizeaz cu un consum de energie mairedus comparativ cu alte direcii ale liniilor decmp. Aceste direcii prefereniale se

numesc direcii de uoar magnetizare.

Toate materialele magnetice suntcaracterizate de o temperatur de la careproprietile magnetice dispar, numittemperatur Curie (770C pentru fier, 358Cpentru nichel, 250-600C pentru ferite )


3.2 Caracteristici ale materialelor magnetice

3.2.1 Curba de histerez magnetic

a b c d e

H

Q

SR

T

C

Q

S

R

TC

O

PH

HC-HC

Br

B

-Br

BS

-BS

HS

-HS

Fig. 3.8 Curba de histerez magnetic

Majoritatea proprietilor materialelor magnetice sepot deduce din reprezentarea mrimilor B sau M nfuncie de H.

- OPQS este o curb n form de S i se numetecurb de prim magnetizare

- QQ reprezint un ciclu de histerez minor

- SS numit ciclu de histerez limit se obinedac H este suficeient de mare astfel nct sproduc saturaia materialului masgnetic (atuncicnd toate domeniile Weiss sunt orientate naceeai direcie )

- TT este un ciclu de histerez secundar

- RTC se numete curb de demagnetizare

- Br este inducia magnetic remanent

- Hc este intensitatea cmpului magneticcoercitiv


B

H

Saturatie

Saturatie

Exprima energiasemnalului caremagnetizeazamaterialul

Remanenta: o masura amagnetizatiei care ramane inmaterial atunci cand campulmagnetic care a produsmagnetizarea materialului esteanulat

Coercitivitate: o masura acampului magnetic necesarpentru a demagnetiza materialuldupa ce acesta a fost adus instarea de saturatie magnetica


Dac se dorete demagnetizarea unui materialmagnetic, aceasta se poate realiza prinnclzirea materialului peste temperatura Curie,metod fr aplicaii practice. Metoda utilizatn practic const n aplicarea iniial a unuicmp alternativ de intensitate mare i apoi prinscderea continu a intensitii acestuia pn laanulare.

Fig. 3.9 Demagnetizarea unui materialmagnetic

Flux

Curent


3.2.2 Permeabilitatea magneticFierul de puritate ridicat i unele aliaje au permitivitatea relativ de 100000 sau mai mult. Din cauzacaracterului neliniar al materialelor magnetice sunt definite mai multe variante ale permeabilitiimagnetice relative, n funcie de punctul de funcionare al materialului pe caracteristica B(H).

PERMEABILITATEA INIIAL (3.6)

PERMEABILITATEA STATIC (3.7)

PERMEABILITATEA INCREMENTAL (3.8)

PERMEABILITATEA DE AMPLITUDINE (3.9)

PERMEABILITATEA EFECTIV e lm/lg (3.10)

PERMEABILITATEA COMPLEXn regim sinusoidal, din cauz pierderilor de putere, ntre inducia magnetic B i intensitatea cmpuluimagnetic H, poate s apar un defazaj, astfel c se introduce permeabilitatea magnetic relativcomplex :

00

1

Hi H

B

DCHH

B

0

1

a

aa H

B

0

1

'''rrr j

lm

lg

materialmagnetic

intrefier

Fig. 3.10 Miez magnetic cuintrefier

PHP H

B

0

1


Impedana unei bobine cu miez magnetic este

(3.11)

ssrr

rrr

RLjLLj

LjjLjZ

0''

0'

0'''

0 )(

Z Ls R

s

Figura 3.11 Schema echivalent seriea unui material magnetic

Se observ ca inductana unei bobine reale cumiez magnetic este echivalent cu o inductanLs=r L0 n serie cu o rezisten Rs=r L0.

3.2.3 Pierderi n materialele magnetice

Principalele mecanisme de pierderi n materialele magnetice sunt pierderile prin histerezmagnetic i cele prin cureni turbionari.

Teoretic, pierderile prin histerez magnetic cresc liniar cu frecvena, n timp ce pierderile princureni turbionari cresc cu ptratul frecvenei.


Fig. 3.12 Pierderi prin histereza magnetica

i

H=Ni / l

B P

Pierderile pin histerez magneticSe consider ciclul de histerez magnetic din figura 2.10,corespunztor unui miez magnetic toroidal de seciune Spe care sunt bobinate N spire, iar l este lungimea medie acircuitului magnetic. Dac prin bobin trece un curent deintensitate i, atunci se genereaz un cmp magnetic deintensitate H= Ni / l. Dac ntr-un interval de timp t foartemic are loc o cretere neglijabil a lui i, atunci inducia

magnetic va avea o variaie B.

(3.12)

(3.13)

(3.14)

t

SBNue

t

BSNiuip

lSBHlBSHBSNitpW

fVWP hh (3.15)

Sl fiind volumul materialului, energia specific pe unitatea de volum este w = HB, adic egal cusuprafaa haurat din figura 3.12. Considernd ciclul de histerez magnetic divizat n astfel desuprafee mici, energia specific total consumat de cmpul magnetic exterior pentruparcurgerea complet a ciclului de histerez magnetic este egal cu suprafaa acestuia:

Wh = SCHM.


Pierderile prin cureni turbionari

Acest tip de pierderi apar atunci cnd materialul magnetic este i conductor. Materialeleferomagnetice conin fier, n general, care are o rezistivitate relativ sczut (aproximativ 10-7 m).

Metode de minimizare a pierderilor prin cureni turbionari

-divizarea miezului magnetic prin laminare sau granulareSe poate considera cu o bun aproximare c pierderile prin cureni turbionari sunt proporionale cuptratul grosimii tolelor magnetice.-creterea rezistenei electrice a miezului magneticPentru miezurile transformatoarelor de reea, aceast cretere se obine prin utilizarea aliajelor Fe-Si(aproximativ 3% siliciu). Rezistivitatea crete la 4.510-7 m de la 10-7 m.

Pierderile se msoar prin intermediultangentei unghiului de pierderi:

(3.16)

m se numete unghi de pierderi.r

am P

Ptg

Fig. 3.13 Divizarea miezului magnetic prin laminare


m

UIRp

ILpI

Fig. 3.14 Schema echivalent serie a bobinei cumiez magnetic i diagrama fazorial asociat

m

IURs

ULsU

LsRs

URsULsU

I

Lp

Rp

IU

IRp

ILp

Fig. 3.15 Schema echivalent serie a bobinei cumiez magnetic i diagrama fazorial asociat

Ls

Rs

U

U

IU

IU

Pr

Patg

Ls

Rs

Ls

Rsm

Rp

Lp

I

I

IU

IU

Pr

Patg

Lp

Rp

Lp

Rpm

(3.17)

(3.18)

Pentru materiale cu pierderi reduse LpLs siRs


3.3 Materiale tehniceTermenul de material magnetic moale se folosete pentrumaterialele caracterizate de:- permeabilitate magnetic mare, astfel nct s poat fimagnetizat eficient.- Hc de valoare redus, astfel nct s fie necesar un cmpmagnetic de intensitate redus pentru demagnetizare sau pentruschimbarea sensului fluxului magnetic prin material- Br de valoare mic astfel nct materialul s rmn foartepuin magnetizat n absena cmpului magnetic- ciclul de histerez limit de suprafa mic astfel nctpierderile de energie prin histerez magnetic sa fie ct maireduse.Materialele magnetice moi sunt folosite n general pentrurealizarea miezurilor magnetice pentru inductoare itransformatoare.

Materialmagnetic moale

ideal

Materialmagnetic moale

real

Fig. 3.16 Ciclul de histerez magneticpentru materiale magnetice moi

Materialmagnetic dur

ideal

Materialmagnetic dur

realFig. 3.17 Ciclul de histerez magnetic

pentru materiale magnetice dure

Termenul de material magnetic dur se folosete pentrumaterialele caracterizate de

- Br de valoare mare astfel nct materialul s rmnputernic magnetizat i n absena cmpului care a produsmagnetizarea- Hc de valoare mare astfel nct s fie dificil demagnetizareamaterialuluiCa o consecin a faptului c Br i Hc au valori mari isuprafaa ciclului de histerez limit va fi mareMaterialele magnetice dure sunt utilizate n generalpentru nregistrarea magnetic a informaiei i pentrufabricarea magneilor permaneni.


Materiale magnetice pentru inductoare i transformatoare

Caracterisiticile unei componente maagnetice (inductor, transformator) depind de urmtorii factori:- geometria miezului magnetic- dimensiunea ntrefierului- proprietile materialului utilizat pentru miezul magnetic (n special permeabilitatea i forma curbeide histerez magnetic).- temperatura de funcionare a miezului magnetic.- laminarea miezului pentru a se reduce pierderile prin cureni turbionariCteva exemple de materiale pentru miezuri magnetice sunt: aliaje de fier siliciu (Fe+Si), permalloy(Fe+Ni), ferite moi (Ni+Zn or Mn+Zn).

Un transformator de reea const n general din mai multenfurri realizate pe coloana central a unui miezferomagnetic. Tolele de transformator sunt denumite dupliterele a cror form o reprezint. Cele mai comune miezurisunt de tipul 'E' + 'I'

Fig. 3.18 Transformator de reearealizat pe un miez feromagnetic

Fig. 3.19 Tole de tip E + I


Fig. 3.20 Miez magnetic format din tole E+I

Mai multe tole feromagnetice suprapuseformeaz un miez magnetic. Liniile de cmpmagnetic se formeaz de-a lungul coloanelorlaterale i se combin de-a lungul coloaneicentrale care are suprafaa dubl fa decoloanele laterale, astfel c induciamagnetic se menine constant.

Fig. 3.21 Carcas pentru nfurri

Fig. 3.22 nfurri

Utiliznd tole magnetice se reduc pierderile prin cureniturbionari. n transformator mai apar pierderi i din cauzarezistenei electrice a nfurrilor, numite n generalpierderi n cupru.


Atunci cand un anumit curent esteabsorbit de circuitul din secundarulunui transformator, prin primar vacircula un curent corespunzator astfelincat circuitul din secundar sa fiealimentat cu energia necesara. Pentrua exprima cuplajul energetic dintreprimar si secundar se utilizeazatermenul de inductanta mutuala.


Miezurile ferimagnetice sunt miezuricompacte cele mai uzuale forme fiind:- miez toroidal- miez de tip E- miez de tip oal

Fig. 3.26 Miez de tipoal

Fig.3.25 Miez de tipEQ

Fig.3.24 Miezde tip E

Fig. 3.23. Miez toroidal

ntrefier

L = N2 AL (3.19)


Materiale pentru magnei permaneni

Magneii permaneni transform energia dintr-o form n alta, fr pierderea energiei proprii. Principaleletipuri de conversie a energiei sunt:- Energie mecanic energie mecanic - atracie sau respingere.- Energie mecanic energie electric generatoare electrice, microfoane.- Energie electric energie mecanic - motoare, difuzoare.- alte utilizri - magnetorezistivitatea, componente bazate pe efectul Hall, rezonana magnetic.

Principalele materiale utilizatepentru construcia magneilor permaneni:- pmnturi rare: Nyodiu-Fier-Bor (NdFeB) ,

Samariu-Cobalt (SmCo)- ceramice (ferrite dure), ferroxdur cobalt + bariu- alnico (aliaje Fe-Co-Ni-Al)

Poriunea din cadranul al doilea al curbei de histerezmagnetic numit i curb de demagnetizare, descriecondiiile de utilizare practic a magneilor permaneni.Sunt importante trei puncte de pe curba dedemagnetizare, interseciile cu axele B, H i punctul Ppentru care produsul dintre B i H are valoarea maxim.Valoarea maxim (BmHm) se numete indice decalitate al materialului magnetic i este cu att maimare cu ct Br i Hc au valori ct mai mari i ciclul dehisterez magnetic se apropie tot mai mult de o formdreptunghiular. Punctul de funcionare P este cel maieficient punct de funcionare a magnetului permanent.Acesta se poate obine cu o aproximaie destul debun, la intersecia dintre ciclul de histerez magnetic

i diagonala dreptunghiului determinat de Br i Hc.Volumul Vm al magnetului permanent, necesarpentru a se genera un anumit flux magnetic esteminim dac produsul BmHm este maxim.

SgBgkSmBm 1 (3.20)

Hm lm =k2 Hg lg (3.21)k1=1-20, k2=1.1-1.3

(3.22)Vgkk

VmHmBmHgBg

21

)()(

Sm

lm

lg

1

2

3

1-magnet permanent2- material magneticmoale3- ntrefier

Bm

BmHmHm -HC

BrP

Fig. 3.27 Circuitul magnetic al unui magnet permanent


Materiale pentru nregistrareamagnetic a informaieinregistrarea magnetic a informaiei pesuporturi magnetice flexibile (benzilemagnetice) sau rigide (hard discuri) sebazeaz pe aceleai principii generale,adic pe dependena dintreintensitatea cmpului magneticexterior, purttor de informaie iinducia magnetic a materialului,care reprezint o memorie a mrimiii sensului ultimului cmp magneticaplicat.

- Materialele magnetice pentru nregistrareainformaiei se utilizeaz sub form degranule care se amestec cu un liant (riniepoxidice) i se depune sub forma unui stratsubire pe o band sau pe un disc depoliester sau aluminiu. Dimensiunilegranulelor i uniformitatea stratului depusinflueneaz calitatea nregistrri informaieii cantitatea de informaie ce poate fi

stocat pe unitatea de suprafa. (Fe2O3,Fe2O3+Co de suprafa, CrO2 , pulberiferimagnetice pe baz de bariu)

- pentru capete magnetige ferite NiZn iMnZn sau Permalloy (NiFe) i Sendust(FeAlSi)

Fig. 3.28 Configuraia fundamental pentru nregistrarea magnetic ainformaiei

Fig. 3.29 Reprezentarea simplificat a unui hard disc

curent Tensiuneieire

Mediumagnetic

Substrat

Sens de micare

nregistrare memorare citire

bobin

Magnetpermanent

Capmagnetic

Hard disc

motor

nord

sud

Documents

Materiale Magnetice