MATERIALE MAGNETICE - Caracteristicile magnetice

MATERIALE MAGNETICE

CUPRINS

Cap I-Introducere..........3

Cap II-Generalitati.............4

Cap III-Clasificari..............5

Cap IV-Caracteristicile magnetice....7

Cap V-Materiale magnetice moi......10

Cap VI-Materiale magnetice dure...17

Cap VII-Materiale magnetice supraconductoare.............20

Bibliografie................26

Introducere

Pentru ca lumea in care traim este un "camp magnetic" dar pentru ca nu exista o definitie clara ,pentru a intelege mai bine acest termen incepem prin a explica prin ochii energetici,electrotehnici si tehnologiei avansate tehnicile prin care campul magnetic este produs de magneti permanenti si de conductoare care sunt parcurse de curent electric.

Motivul alegerii acestei teme consta in faptul ca exista multe situatii in care diferite actiunii nu pot fi explicate,in cazul acesta studiind acesta stiinta vom afla ca de exemplu campul magnetic poseda energie si exercita forte asupra altor magneti.

Campul magnetic depinde in functie de compozitia magnetica a acestor materiale, iar compozitia lor se urmareste la rolul ei in functie de ce anume se doreste a se obtine.

Fierul constituie materialul,baza, celor mai multe campuri magnetice, acesta fiind la randul lor diversificate.

Cap II-Generalitati

De o deosebita importanta si strans legata de intelegerea proprietatilor magnetice ale materialelor este notiunea de camp magnetic.

Campul magnetic este produs de magnetii permanenti si de conductoare parcurse de curent electric.

Campul magnetic posedea energie si exercita forte asupra altor magneti sau conductoare parcurse de curentul electric.

Pentru determinarea starii de magnetizare a corpurilor sunt necesare doua marimi:

-intensitatea campului magnetic H,masurat in A/m;

-inductia magnetica B produsa de campul magnetic,masurat in tesla (T)=weber/metro patrat (Wb/m).

Raportul dintre inductia magnetica B si intensitatea campului magnetic H se numeste permeabilitate magnetica absoluta si se noteaza cu .Ea are valori diferite pentru diferite materiale,la acelasi camp magnetic:

=B/H sau B= μH.

Permeabiliatea magnetica absoluta se exprima in weber/ampermetru (Wb A*m) sau henry/metru (H/m).

Pentru aceeasi intensitate a campului magnetic,raportul dintre permeabilitatea absoluta μ a unui mediu material oarecare si permeabiliatea absoluta a vidului μ (practice egala cu a aerului) si se numeste permaeabilitate magnetica relative a materialului si se noteaza cu r

r

Permeabilitatea absoluta a vidului este o marime constanta egala cu 4 H/m

Permeabilitaea magnetica relativa r este o constanta de material,fara unitate de masura.

Cap III-Clasificarea materialelor electrotehnice

din punct de vedere magnetic

In functie de valoarea permeabilitatii magnetice relative r .materialele electrotehnice se clasifica in materiale :

-diamagnetice ( <

-paramagnetice(

-feromagnetice( >

Materialele diamagnetice sunt:hidrogenul,carbonul,argintul,aurul,cuprul,zincul,germaniul,seleniul,siliciul etc.Ele au permeabilitate magnetica relative subunitara , foarte aproape de unitate.

Materialele paramagnetice

sunt :oxigenul,aluminiul,cromul,platina,manganul,radiul,potasiul etc. Ele au permeabilitate magnetica relative supraunitara , foarte apropiata de unitate.

Materialele feromagnetice sunt:fierul ,cobaltul ,nichelul , gadoliniul si aliaje.Ele au permeabilitate magnetica relative mult mai mare decat unitatea ,ajungand la valori peste 100000.

Materialele feromagnetice sunt cunoscute sub denumirea de materiale magnetice.

Aceste matriale isi pierd complet proprietatile magnetice la temperature Curie,care este de 769 C pentru fier,1075 C pentru cobalt, 360 C pentru nichel si intre 60 si 380 C pentru aliaje,in functie de compozitie.

Conform teoriei magnetismului molecular , materialele magnetice se compun dintr-un numar foarte mare de magneti extreme de mici - magneti moleculari.

Intr-un material nemagnetizat,magnetii moleculari sunt asezati in dezordine (fig.1.a).Prin magnetizare,magnetii moleculari se orienteaza succesiv dupa directia campului de magnetizare (fig 1.b) In consecinta,efectele magnetice ale materialului se manifesta si in exterior-materialul sa magnetizat.

Fig 1.Magneti moleculari

a-in material ferromagnetic nemagnetizat;

b-in material ferromagnetic magnetizat

Dupa modul in care materialele feromagnetice se comporta in campul magnetic,se deosebesc:

-materiale magnetice moi,care se pot magnetiza cu usurinta dar se si demagnetizeaza usor;

-materiale magnetice dure,care se pot magnetiza greu,dar isi mentin proprietatle magnetice timp indelungat.

Materialele magnetic moi au utilizarea cea mai raspandita in constructia de masini si aparate electrice.Din ele se construiesc miezurile respective , circuitele magnetice ale masinilor electrice ,electromagnetilor,releelor etc.

Materialele nagnetic dure se folosesc la fabricarea magnetilor permanenti ,utilizati cu precadere in constructia micromasinilor electrice si in aparatura electrica speciala.

Cap IV-Caracteristicile magnetice

Incercarile fundamentaele care se fac asupra materialelor magnetice servesc la:

-trasarea curbei de magnetizare ;

-trasarea ciclului de histerezis;

-determinarea pierderilor magnetice(ingloband pierderile prin histerzis si curent turbionari).

Curba de magnetizare a materialelor magnetice reprezinta variatia inductiei B, in functie de intensitatea campului magnetic H.

Daca se reprezinta graphic inductia B=f(H) se obtine o curba de forma celei din figura 2.Aceasta curba are trei portiuni distincte si anume:prima parte a curbei,pornind d la origine,este o dreapta Oa avand panta foarte mare (inclinare mare fata de abscisa); a doua portiune ab ,cotul curbei de magnetizare ; ultima portiune dincolo de b este tot o dreapta ,dar cu panta mica (aproape paralela cu abscisa).

Fig.2.Curba de magnetizare B=f(H) si curba =f(H)

Din curba de magnetizare se observa ca ,pe ultima portiune ,pentru cresteri importante ale campului magnetic inductia magnetica creste foarte putin.Aceasta se explica prin faptul ca toti magnetii moleculari sunt orientate in camp, magnetizarea in continuare devine imposibila ,materialul este "saturat "magnetic.

Permeabilitatea magnetica ,corespunzatoare fiecarui material magnetic ,depinde de intensitatea campului magnetic.Curba μ=f(H), reprezentata tot in figura .2. este obtinuta din curba de magnetizare prin raportare lui B la H pentru fiecare valoare a campului.

Ciclul de histerezis se traseaza ridicandu-se mai intai curba de prima magnetizare pana la saturatie , curba OBs (figura 3 ).Dupa ce s-a ajuns cu inductia in punctul +B , se reduce intensitatea H a campului si se constata ca si inductia B scade,dar are valori mai mari decat le-a avut la prima magnetizare , pentru aceelasi camp.Astfel pentru valoarea H' a intensitatii campului ,inductia este MN pe curba de rima magnetizare ,si devine MP>MN pe curba de demagnetizare.Inductia MN pe curba de demagnetizare H''< H' , ceea ce arata ca variatia inductiei ramane in urma variatiei campului magnetic.Fenomenul se numeste histerezis,dupa cuvantul grecesc care inseamna "ramanere in urma".

Pentru H=O, inductia nu este nula ,ci are o anumita valoare ,numita inductie remanenta Br.Inductia remanenta se explica prin aceea ca parte din magnetii moleculari raman orientati sin u revin la starea de dezordine existenta inainte de magnetizare.

Fig.3.Ciclul de histerezis magnetic

Schimbandu-se sensul lui H (prin inversarea sensului curentului in circuitul de magnetizare),adica dandu-se intensitatii campuli magnetic valori negative,inductia B continua sa scada pana cand ajunge la valoarea zero,pentru un camp magnetic-Hc numit camp coercitiv.Considerandu-se procesul de magnetizare pana in punctual -Bs si apoi micsoarandu-se intensitatea campului magnetic din nou pana la zero,se obtine inductia -Br .Schimbandu-se sensul campului(prin schimbarea sensului curentului in circuitul de magnetizare) se continua procesul de magnetizare pana in punctual +Bs.

Se obtine astfel o curba inchisa numita ciclu de histerezis.

Suprafata inchisa de aceasta curba este proportionala cu energia consumata pentru modificarea starii de magnetizare a materialului (energia necesara invingerii frecarilor care se produc intimpul orientarii magnetilor moleculari),energia care apare sub forma de pierderi ,determinand incalzirea materialului.

Determinarea experimentale a curbei de magnetizare si a ciclului de histerezis se poate realize prin doua metode:metoda inelului(dau torului)magnetic si metoda barelor drepte ,de sectiune circulara sau dreptnughiulara (metoda permeametrului).

Ambele metode constau in esenta in magnetizarea materialului,adica in supunerea lui unui camp magnetic H,cu ajutorul unei infasurari de magnetizare(prin care trece curentul continuusi care permite calculul campului magnetic H)si din masuraea inductiei B cu ajutorul unei infasurari de masurare,legata la un galvanometru ballistic.

Pierderile magnetice inglobeaza pierderile prin hiserezis si pierderile prin curenti turbionari.Ele sunt dat in wati pe kilogram (W/kg) si se determina cu aparatul Epstein,la o anumita inductie si la o anumita frecventa.

Pierderile prin hiserezis ,care sunt proportionale cu suprafat inchisa a ciclului de histerezis,au un rol important in current alternative.

In materialul magnetic supus unui camp magnetic variabil ,datorita fenomenului de inductie electromagnetica ,apar si pierderi prin curenti turbionari (curenti Foucault).Reducerea pierderilor prin curenti Focault se realizeaza micsorandu-se aceasi curenti prin sporirea rezistivitatii materialului magnetic si prin realizarea miezurilor magnetice din tole ,isolate electric intre ele.

Caracteristicile magnetice obtinute prin incercarile indicate mai sus sunt absolute necesare constructorilor de masini si transformatoare, care isi bazeaza pe ele intregul calcul de dimensionare a circuitului magnetic ,de incalzire si de randament,calcul care conditioneaza functionarea optima a acestor masini si transformatoare.

Cap V-Materiale magnetic moi

Corespunzator destinatiei lor,la elaborarea materialelor magnetic moi se urmareste sa se obtina:

-inductie remanenta mica;

-camp coercitiv mic;

-inductie la saturatie cat mai ridicata;

-suprafat mica a ciclului de histerezis;

-pierderi mici prin histerezis.si curenti turbionari.

Caracteristicile magnetice ale materialelor magnetic moi sunt influentate de :compozitia chimica,incluziuni ,marimea particulelor ,metode de elaborare ,tratamente termice ,solicitari mecanice etc.Prelucrarile mecanice (taiere,stantare,gaurire ,presare etc.) inrautatesc proprietetile magetice,iar pentru eliminarea efectelor daunatoare ale acestor prelucrari,materialele magnetic moi se supun unor tratamente termice.

Cele mai utilizate materiale magnetic moi sunt:fierul ,fonta ,otelul ,aliaje fier-siliciu ,aliaje fier-siliciu-aluminiu (alsifer) ,aliaje fier-nichel ,aliaje fier-cobalt ,ferit moi ,peleicule feromagnetice ,aliaje termocompensatoare ,aliaje magnetostrictive si materiale magnetice speciale.

1.FIERUL

Fierul constituie baza celor mai multe materiale magnetice.

Se disting mai multe sorturi de fier si anume:fierul tehnic pur,fierul electrolitic ,fierul carbonil.

Fierul tehnic pur are puritatea si este cunoscut sub denumirea de :fier Armco, "fier suedez", fier magnetic.fier moale

Intre 815 si 1050 C ,precum si intre 200 si 430 C,materialul este fragil si in aceste domenii critice solicitarile trebuiesc evitate.

Dupa prelucrari mecanice se recomanda un tratament special in atmosfera de hidrogen ,avand ca rezultat o sporire a permeabilitatii si o miscare a campului coercitiv.

Fierul tehnic pur se foloseste la realizarea miezurilor massive ale circuitelor magetice care functioneaza in current continuu.

Fierul electrolitic este obtinut prin electrolia si are un grad ridicat de puritate contine mai putin de 0,05% impuritati).

El se foloseste la fabricarea aliajelor alni si alnico sinterizate.     

Fierul carbonil este produs dupa metoda de rafinare Carbonil care necesita instalatii speciale, fiind un fiind un procedeu de rafinare destul de complicat.

Acest material are puritate mrae si prezinta avantajul. Fata de fierul electrolytic,de a avea particule sferice, ceea ce il face utilizabil la fabricarea miezurilor sau torurilor folosite la frecvente inalte, cu pierderi magnetice mici.Se utilizeaza, de asemenea,la fabricarea magneto-dielectricilor (material compus dintr-un material izolant - de exemplu o rasina - in care este inglobata pulbere feromagnetica), folositi pentru aparatura de inalta frecventa.

Magneto-dielectricii au rezistiviate electrica ridicata,datorita prezentei dielectricului in compozitia lor,si ca urmare, pierderile prin curenti turbionari, sunt reduse.

Fierul electrolitic si fierul carbonil au proprietati magnetice superioare fierului tehnic pur ,datorita puritati lor ridicate.

2.FONTA

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.

Fontele se utilizeaza la indicatii pana la 1 T, in circuite magnetice de current continuu (de exemplu, carcase de masinile ectrice de curent continuu).

3.OTELUL

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.

Avand proprietati magnetice net superioare fata de fonta ,otelul se utilizeaza cu precadere chiar si la piesele strabatute de fluxul magnetic, dar care u sunt solicitate mechanic in mod deosebit ,deoarece astfel se realizeaza piesele de dimensiuni mult mai mici,deci constructii mai economice.

4.ALIAJE FIER-SILICIU

Aliajele fier-siliciu sunt materiale magnetice cala mai utilizate in domeniu electrotehnic, deoarece au proprietati magnetice bune si cost redus.

Siliciu contribuie la marirea rezistivitatii aliajului si implicit la reducerea pierderilor prin curenti turbionari.Cu un procent de 6-7%siliciu s-ar obtine un aliaj magnetic ideal ,dar fragilitatea aliajului nu permite o prelucrare la cald decat pentru un continut de cel mult siliciu si pentru prelucrarea la rece la cel mult siliciu.

Un dezavantaj al siliciului in aliaj consta in reducerea inductiei la saturatie cu 0,057%-0,058% T pentru fiecare procent de siliciu.

Pentru realizarea circuitelor magnetice care functioneaza in current alternative, la frecventa industriala, se utilizaeaza table (tole) subtiri realizate din tabla silicioasa laminate la cald sau la rece.

Tabla silicioasa laminate la cald are grosimi de 0,3 ; 0,35 ; 0,5 mm.Tolele se izoleaza intre ele prin oxidare ,prin lacuire sau prin printr-un strat de hartie.

Tabla silicioasa laminate la rece, cunoscuta sub denumirea de tabla texturata ,are in directia laminarii caracteristice magnetice sperioare tablei laminate la cald si are o suprafata mai neteda.

Tabla texturata prezinta proprietati magnetice superioare (permeabilitate magnetica mare si pierderi in fier mici) numai in cazul in care directia fluxului magnetic in material coincide cu directia laminarii.

Grosimea acestor table sunt de 0,35 ; 0,30 ; 0,20 ; 0,10 ; 0,05 ; mm.

Izolatia acestor table este de tip ceramic (oxid de calciu numit carlit ) sau pe baza de fosfati.

5.ALIAJE FIER-SILICIU-ALUMINIU

Acest 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.

6.ALIAJE FIER-NICHEL

Aceste 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.

Aceste aliaje contin nichel intre 35 si 80% si , in functie de procentul de nichel si de tratamentul termic aplicat se deosebesc:

-aliaje fier-nichel cu permeabilitate mare(cu denumiri comerciale ca superamalloy , 79-permalloy, permalloy C) a caraor permaeabilitate maxima max atinge valori de 800000-1200000

-aliaje cu ciclu de hiserezis dreptunghiular, avand 50% nichel si la care prin laminari la rece si tratamente termice se obtine raport Br/Bs egal cu 0,80-0,95 (sunt cunoscute sub denumirile comerciale deltamax,premalloy G,permenorom 5000 Z etc.);

-aliaje cu permeabilitate consatanta(cunoscuta sub denumirea de perminvar-permeabilitate invariabila) au in general permeabilitate mica,dar care ramane constanta in domeniul campurilor magnetice slabe.

La aliajele perminvar campurile magnetice maxime prescrise un trebuie depasite,altfel materialul se degradeaza din punct de vedere magnetic.

7.ALIAJE FIER-COBALT

Aceste aliaje au inductie de 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.

Aliajel fier-cobalt sunt cunoscute sub denumirile comerciale de: permendur , hyperco,hyperm,vacodur etc.

8.FERITE MAGNETIC MOI

Aceste 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.

Feritele se compun din oxizi de fier cu oxizi ai altor metale ca mangan,nichel,zinc,magneziu,cobalt,litiu etc.

In comparatie cu materialele maetalice,feritele au permeabilitate si inductie reduse.

9.FERITE MAGNETIC MOI

Aceste aliaje sunt folosite cu precadere la frecvente inalte ,deoarece au rezistivitate mare ajungand pana la 10Ω cm.

Dupa realizarea peliculelor cu grosimi extreme de mici,avand ca rezultat micsorarea substantiala a curentilor turbionali,sunt magnetizate.

Se utilizeaza la frecvente inalte.

10.ALIAJE TERMOCOMPENSATOARE

Aliaje termocompensatoare sunt caracerizate prin permeabilitae creste cu scaderea temperaturii.

Aceste alaije sunt folosite la compenasatoare erorilor de temperatura a magnetilor permanenti,la care fluxul creste cu scaderea temperaturii.Prin suntarea magnetului (aplicarea pe magnetde benzzi termcompensatoare pe diferite grosimi) cu o banda termocompensatoare se regleaza fluxul,pentru a fi mentinut constant ,in anumite zone ale circuitului magnetic,pentru un anumit domeniu de temperature.

Aliajele termocompensatoare sunt pe baza de nichel-fier (cele mai des folosite) , nichel-crom-fier-fier,nichel-cupru,nichel-siliciu-fier.

11.ALIAJE MAGNETOSTRICTIVE

Prin 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.

Aceste aliaje se utilizeaza la generatoare sonore si ultrasonaore cu aplicatii la controlul nedisrtuctiv,curatirea apei,accelerarea reactilorchimice,prepararea de emulsii,distrugerea de bacterii,degresarea de piese etc.

Cap VI-Materiale magnetic dure

Materialele magnetice dure,folosite la realizarea magnetilor permanenti,se caracterizeaza prin mentinerea starii de magnetizare si dupa disparitia campului exterior magnetizat.Ele au inductie remanenta si camp coercitiv mari.

Cele mai utilizate materiale magnetic dure sunt:oteluri cu carbon,oteluri laiate,aliaje din metale pretioase,aliaje alni si alnico,feritele magnetice dure,compusii cu pamanturi rare.

1.OTELURI CU CARBON

Otelurile cu carbon au fost au fost primmele materiale utilizate la realizarea magnetilor permanenti.

Aceste oteluri contin 1-1,5% carbon.

Ele au proprietati magnetice instabile ,adica se modifica la socuri mecanice si la variatii de temperature.In plus,energia magnetica produsa pe unitatea de de volume este mica ,iar magnetii construiti sunt mari si grei.

2.OTELURI ALIATE

Oteleurile cu wolfram,otelul cu crom si otelul cu cobalt au proprietati magnetice superioare otelului cu carbon,dar fiind scumpe,in special cel cu cobalt ,s-au cautat materiale inlocuitoare mai ieftine.

3.ALIAJE ALNI SI ALNICO

Aceste alaiaje reprezinta aproximativ 40% din productia mondiala de magneti permanenti.

Aceasta se datoreaza caracteristicilor magnetice net superioare altor aliaje magnetice.

Ele reprezinta stabilitatea proprietatilor magnetice la variatia temperaturii si la socuri mecanice.

Aliajele alni contin 22-30% nichel, 10-15% aluminiu ,restu fier.

Aliajele alni,care contin si cupru ,se numesc cunife ,iar cele care contin cobalt se numaes alnico.

Cifrele care se adauga dupa denumirea aliajului indica continutul de nichel la aliaje si continutul de cobalt la aliaje alnico (de exemplu:alni 33 contine 22% nichel ;alnico 32 contine 32% cobalt).

Aliajele alni si alnico se obtin prin turnarea sau prin metalurgia pulberilor (sinterizare).

Aceste aliaje au dezavantajul ca sunt foarte casnate sin u pot fi prelucrate decat prin slefuire.

Pentru a se obtine aliaje alnico cu camp coercitiv mare se introduce in aliaj un adios de titan (intre 0,5 si 10%) de niobium sau titan din si niobium.S-au obtinut aliaje alnico-bogat aliate cu titan, cu acmp coercitiv de 1600 A/cm.

Magnetii alni si alnico turnati prezinta urmatoarele dezavantaje:

-pori, sulfuri si chiar fisuri;

-risipa mare de material la turnarea magnetilor mici;

-dificultati la obtinerea magnetilor mici si de forme complicate.

Magnetii sunterizati prezinta urmatoarele avantaje:

-structura omogena;

-rezistenta mai buna la socuri si vibratii.

Dezavantajul magnetilor sinterizati consta in aceea ca inductia remanenta este mai mica cu 10-15% decat cea a magnetilor turnati.

Se recomanda realizarea de magnetii prin metalurgia pulberilor numai pentru magneti mici in serii mari.

4.ALIAJE DIN METALE PRETIOASE

Dintre aliajele din metale pretioase , aliajul care contine 77% platina si 22% cobalt,cunoscut sub denumirea de platinax,are proprietati magnetice foarte bune,dar fiind deosebit de scump,el este inlocuit cu compusi ai apmanturilor rare.

5.FERITE MAGNETIC DURE

Feritele sunt astazi utilizate la fabricarea magnetilor decat aliajele alni si alnico,fatorata urmatoarelor avantaje:

-nu contin materii prime deficitare;

-au rezistivitae foarte mare, ceea ce le face utilizabile la frecvente inalte, cu pierderi mici pri curenti turbionari;

-au camp coercitiv mare.

Au insa si cateva dezavantaje in comparative cu aliajele alni si alnico:

-stabilitate redusa la variatii de temperature;

-inductie remanenta mai mica.

Din fertite, cu ajutorul unor lianti plastici,s-au putut realize magneti flexibili ,folositi ca magneti de prindere.

6.COMPUSI CU PAMANTURI RARE

Pamanturile rare sunt elemente apartinand grupei lantanidelor (au numarul atomic Z=57..71)

Pamanturile rare ca samariul si cesiul pot forma impreuna cu cobaltul compusi feromagnetici cu proprietati magnetice foarte bune.

Magnetii din acesti compusi se pot realize prin turnare,presare rece sau sunterizare.

Energiile magnetice obtinute cu magnetii realizati din compusi su pamanturi rare sunt cele ,mai mari cunoscute pana in prezent.

Cap VII-Materiale supraconductoare

1. CONSIDERATII GENERALE DESPRE SUPRACONUCTIBILIATEA MATERIALELOR CONDUCTOARE

Fenomenul supraconductibilatii materialelor si alaje metalice, studiat in 1933 de Meissner si Ochsenfeld, a fost observat inca din 1911 de Kamerling-Onnes cu ocazia experientelor efectuate de el asupra mercurului,constatandu-se ca in jurul temperaturii de 4K rezistivitatea electrica a acestuia devine aproape zero.

Pentru multe metale si aliaje ale acestora, exista o anumita temperatura(in domeniul temperaturilor extreme de joase) denumiaa temperature critica Tc , la care rezistivitatea electrica devina practice nula.

In cazul metalelor pure supraconductoare, temperature critica variaza intre 0,012K(pentru wolfram) si 9,22K(pentru niobium), iar pentru aliaje supraconductoare temperature critica ajunge la 22,3K (cazul Nb Ge).

In tabelele 1. si 2. sunt date temperaturile critice ale unor metale si aliaje supraconductoare.

Temperatura critica a unor metale supraconductoare

Tabel .1.

Temperatura critica a unor aliaje supraconductoare

Tabel .2.

Materiale supraconductoare situate in camp magnetic prezinta un fenomen important si anume, tendinta acestora de a "expulza' campul magnetic din interiorul lor. Acest fenomen este cunoscut sub denumirea de effect Meissner.

Cele doua fenomene; anularea rezistivitatii electrice si expulzarea campului magnetic au pus bazele aplicarii supraconductibilitatii in numeroase domenii tehnice si stiintifice,

Dependenta de temperature a rezistivitati electrice a unui supraconductor este preprezentat in figura .4.

Fig4:Rezistivitatea in functie de temperatura

1-penrtu metale pure

2-pentru metale impure

Variatia rezistivitati electrice in functie de temperature T depinde de gradul de puritate al materialului supraconductor.Astfel, pentru materialele supraconductoare pure, anularea rezistivitati la temperature critica Tc se face brusc iar prntru cele impure acesta variatie este "lenta" si scade pana la rezistivitaea reziduala , care este cu atat mai mica cu cat materialul respective este mai pur.

Dupa modelul de manifestare al efectului Meissner, materialele supraconductoare sunt de doua tipuri:

-supraconductoare de tip I sau "moi";

-supraconductoare de tip II sau "dure".

• Supraconductoare de tip I sunt metale pure;acestea sunt caracterizate printr-o anumita intensitate critica a campului magnetic Hc la care, in conditii adecvate de temperature, campul magnetic din interiorul lor dispare brusc, devenind diamagnetice.
• Supraconductoarele de tip II sunt aliaj metalice;acestora la corespund doua intensitati critice,Hcl Hco , ale campului magnetic,potrivit carora ele devin diamagnetice.

Referitor la comporatrea supracoductoarelor in campul magnetic, se remarca faptul ca, o data cu cresterea intensitstii campului magnetic, se ajunge la o valoare critica Hc a acestuia, care depinde de temperatura, si la care starea de supraconductibilitate dispare.Dependenta intensitatii campului magnetic critic Hc de temperatura este data de relatia:

Hc=Hco 1-(T/Tc

in care Hco reprezinta intensitatea campului magnetic critic la temperature T=0K

Spuraconuctoarele e tip I au aplicatii practice foarte reduse deoarece densitatile de curent ce se obtin la aceste supraconducoare de tip II pot fi foarte mari,motiv pentru care acestea au o larga utilizare.Folosite in campuri magnetice alternative, aceste supraconductoare au pierderi imortante prin histerezis,iar eliminarea acestora in conditii de functionare necesita (in heliu lichid)puteri de

700-3000 de ori mai mari.Din acest motiv,supraconductoarele de tip II se utilizeaza cu eficienta numai in campurile magnetice constante .In figura .5. a si b este reprezentat modul de manifestare al efectului Meissner la supraconductoarele de tip I si II. Dintre cele doua grafice se poate observa ca pentru instalati ale campului magnetic mai mici decat Hc (pentru suprconductoare de tip I),respectin Hcl (pentru supraconductoare de tip II). Inductia magnetica scade la zero si practice liniile de camp ocolesc materialele supraconductoare.

Efectul Meissner a-pentru spuraconductore de tip I;

b -pentru supraconductoare de tip II.

ALPICATII ALE SUPRACONDUCTIBILITATII

Restrictiile ce apar in aplicattile practice ale supraconductibilitatii sunt legate de temperaturile foarte joase,necesare pentru a obtine trecerea in stare de supraconductibilitate, temperature care se obtin cu dificultate.

Se spera ca cercetarile in curs si cele viitoare sa duca la descoperirea unor materiale care sa reprezinte supraconductibilitate la temperature apropiate de temperature camerei,ceea c ear contribui la realizari deosebite ale tehnicii si criogeniei actuale.

Utilizarea supraconductoarelor in electrotehnica si electrogenetica urmareste reducerea pierderilor de energie electrica.

Reducerea rezistivitatii electrice,implicit a rezistentei electrice permite utilizarea densitatilor mari de curent.

Principalele utilizari ale materialelor supraconductoare sunt:

-obtinerea magnetilor care au campuri magnetice de mare intensitate si inductii magnetice foarte mari;

-realizarea retelelor electrice in cablu pentru tensiuni ridicate (750Kv,1500Kv,3000Kv),cu pierderi electrice aproape zero;

-constructia masinilor si transformatoarelor de puteri mari cu gabarite reduse;

-realizarea de instalatii si aparate, componente logice cu performante deosebite.

Prin urmare,supraconductoarele pot fi utilizate,cu rezulatate remarcabile, in electrotehnica,energetica,tehnica de calcul si telecomunicatii.