Materiale magnetice

Materiale magnetice

Uzual prin denumirea de materiale magnetice sunt desemnate o clasa distincta de substante folosite frecvent in constructiile electrotehnice. Aceste substante sunt de fapt materiale paramagnetice cu c_m >> 1, respectiv m_r >> 1, numite frecvent materiale feromagnetice.

Sunt feromagnetice in stare pura: fierul Fe, nichelul Ni, cobaltul Co, gadoliniul Gd, praseodimul Pr. Prezinta proprietati feromagnetice unele minerale ca magnetitul si unele aliaje: aliaje Heusler, ferite, aliaje ale fierului cu pamanturi rare, aliajul de fier-neodim-bor Fe Nd B.

Dintre caracteristicile mai importante ale materialelor feromagnetice mentionam:

- valoarea foarte mare a permeabilitatii magnetice relative, respectiv a susceptibilitatii magnetice

- variatia neliniara a magnetizatiei cu intensitatea campului magnetic

- prezinta fenomenul de saturatie magnetica

- prezinta un ciclul de histerezis in dependenta sau

- isi pierd proprietatile feromagnetice la o temperatura caracteristica numita punct Curie. Punctul Curie la Fe este 774 C, la Ni 372 C, iar la Co este 1131 C.

- prezinta fenomenul de magnetostrictiune care consta in deformarea mecanica a cristalelor prin magnetizare

- la viteze mari de variatie in timp a campului magnetic apare un fenomen de vascozitate magnetica numit si post-efect magnetic.

La scara microscopica explicarea fenomenului de feromagnetism se face in cadrul fizicii corpului solid. In mod sumar putem da o explicatie in felul urmator. Substantele se caracterizeaza prin existenta unor spini magnetici necompensati la nivelul atomilor. Un anumit numar de atomi vecini au spini magnetici paraleli sau antiparaleli. Din acest punct de vedere se intalnesc substante:

- feromagnetice

- antiferomagnetice

Pentru corpurile feromagnetice conform teoriei lui Weiss se considera ca exista mici domenii numite domenii Weiss, in care spinii magnetici ai atomilor vecini sunt aliniati paralel. In interiorul substantei orientarea si marimea domeniilor Weiss este diferita. Ca ordin de marime, intr-un mm³ de substanta feromagnetica exista cca 2 domenii Weiss. Aceste domenii sunt despartite intre ele prin niste pereti, numiti pereti Bloch, avand o grosime de ordinul 200 distante atomice.

In fig. 2.16 se prezinta variatia magnetizatiei substantei in peretele Bloch. Se observa ca doua domenii Weiss cu magnetizatii opuse sunt despartite de un perete in care magnetizatia are o variatie continua. Datorita orientarii dezordonate a domeniilor Weiss in substante, acestea sunt nemagnetizate in lipsa campului magnetic exterior. Exista insa si o serie de substante naturale ca magnetitul sau artificiale (magneti permanenti) la care domeniile Weiss au, pe ansamblu, o orientare globala intr-un anumit sens. Acestea se spune ca sunt magnetizate permanent. La substantele feromagnetice initial demagnetizate, in prezenta campului magnetic exterior apare la inceput o deplasare a peretilor Bloch in sensul maririi volumului domeniilor care au magnetizatia proprie orientata in sensul campului magnetic aplicat iar apoi, la campuri mai puternice apare o orientare a domeniilor Weiss in acelasi sens cu campul magnetic aplicat. Cand toate domeniile Weiss sunt orientate in acelasi sens se atinge fenomenul de saturatie magnetica.

In tehnica, intereseaza indeaproape dependenta sau la materialele feromagnetice. Sa consideram un corp feromagnetic initial demagnetizat in absenta campului magnetic. Crescand treptat valoarea intensitatii campului magnetic H se poate constata o crestere a magnetizatiei si a inductiei corespunzatoare portiunii OA din figura 2.17. Pe aceasta portiune, corespunzand unor valori mici ale intensitatii campului magnetic, daca se reduce la zero valoarea intensitatii campului magnetic aplicat inductia magnetica sau magnetizatia revin la zero. Portiunea OA este denumita portiunea magnetizarii initiale sau reversibile.

Crescand progresiv valoarea intensitatii campului magnetic se va constata o crestere rapida, aproximativ liniara, a lui B, respectiv M, conform portiunii AB din figura 2.17. Aceasta este portiunea magnetizarii liniare in care au loc orientari prin salt ale domeniilor Weiss din substanta feromagnetica. Portiunea AB este nereversibila. Daca se continua cresterea lui H la valori peste cele ce corespund punctului B se constata un fenomen de saturatie magnetica, magnetizatia M tinzand spre valori constante ca de exemplu: la fier, 1,4T la nichel si 1,8T la cobalt. In zona de saturatie inductia magnetica variaza practic liniar cu intensitatea campului magnetic corespunzator dependentei

In fig. 2.17, b, s-a prezentat calitativ si variatia inductiei magnetice in vid corespunzatoare aceleiasi variatii a lui H. Caracteristica OABC obtinuta pentru un material magnetic initial demagnetizat se numeste curba de prima magnetizare.

Dupa ce s-a ajuns pe curba de prima magnetizare OABC in punctul C sa presupunem ca se micsoreaza valoarea intensitatii campului magnetic H (fig. 2.18). Curbele care se obtin difera de curba de prima magnetizare si anume la micsorarea lui H se revine pe curbe corespunzand unor valori ale inductiei magnetice B mai mari. La valori nule ale intensitatii campului magnetic H, inductia magnetica are o valoare B_r diferita de zero numita inductie remanenta.

Pentru a micsora in continuare valoarea inductiei magnetice este necesara inversarea sensului campului magnetic si apoi cresterea valorii acesteia. Se parcurge astfel portiunea DE a curbei, iar in punctul E:

Valoarea H_c a intensitatii campului magnetic ce trebuie aplicat pentru a anula inductia magnetica se numeste camp coercitiv H_c. Marind in continuare valoarea in-tensitatii campului magnetic pana la -H_max si apoi revenind cu valoarea lui H la H_max se obtine ciclul de histerezis al materia-lului magnetic. Experimental pentru a obtine un ciclu de histerezis inchis este necesara repetarea de mai multe ori a ciclului de magnetizare intre limitele +H_max si -H_max.

In cazul unei magnetizari periodice parcurgerea ciclului de histerezis este insotita de degajare de caldura, care inseamna pierderi de energie in materialul feromagnetic numite pierderi in fier prin histerezis. Aceste pierderi sunt proportionale cu aria ciclului de histerezis. Daca ciclul de histerezis este ridicat experimental prin puncte, printr-o variatie lenta a intensitatii campului magnetic, se obtine ciclul de histerezis static. In regim variabil ciclul de histerezis se poate abate de la forma celui static datorita in principal efectului curentilor turbionari sau postefectului magnetic.

Din punct de vedere al formei ciclului de histerezis materialele feromagnetice se impart in materiale magnetice moi si materiale magnetice dure. In fig. 2.19 se prezinta comparativ caracteristicile de histerezis a doua tipuri de materiale (1-Fe-material moale, 2-AlNiCo- material dur). Materialele magnetice moi au ciclul de histerezis ingust, iar cele dure au ciclul de histerezis lat. Corespunzator valorile campului coercitiv H_c sunt mai mici la materialele moi si mai mari la materialele dure. In tabelul 2.2 sunt date valori caracteristice ale unor materiale magnetice.

Tabelul 2.2

Proprietatile magnetice ale unor substante

Materialele magnetice moi (fierul moale, tabla silicioasa) se folosesc la constructia circuitelor magnetice ale aparatelor si masinilor electrice. Materialele magnetice dure (ferite, alnico, aliaje Fe-Nd-B) se folosesc la constructia magnetilor permanenti. Importanta materialelor feromagnetice la realizarea circuitelor magnetice este relevata de aportul considerabil al materialului la producerea inductiei magnetice (fig. 2.17,b), valorile inductiei magnetice in lipsa fierului fiind extrem de reduse la aceleasi valori ale intensitatii campului magnetic. Punctele de functionare pe curba de magnetizare se aleg in apropierea cotului curbei de magnetizare (punctul B).

Referitor la ciclul de histerezis al materialelor magnetice (fig. 2.20), considerand mai multe cicluri de histerezis corespunzatoare unor valori extreme diferite ale intensitatii campului magnetic (H_max, -H_max) se defineste curba de magnetizare ca locul geometric al punctelor de intoarcere ale ciclurilor de histerezis. Se precizeaza faptul ca aceasta curba difera foarte putin de curba de prima magnetizare.

La calculul circuitelor magnetice ale aparatelor si masinilor electrice se are in vedere aceasta curba de magnetizare.

Se constata ca dependentele M(H) respectiv B(H) sunt neliniare. In consecinta si permeabilitatea magnetica este neliniara. De aceea pentru caracterizarea permeabilitatii magnetice intr-un punct oarecare de functionare de pe curba de magnetizare se definesc urmatoarele permeabilitati:

-

- permeabilitatea magnetica:

(2.58)

- permeabilitatea magnetica relativa:

(2.59)

Permeabilitatea magnetica relativa m_r este proportionala cu tangenta trigonometrica a unghiului a (fig. 2.21) format de segmentul OP cu abscisa. Constanta de proportionalitate k depinde de raportul scarilor de reprezentare a marimilor pe abscisa si ordonata.

permeabilitatea magnetica initiala m_i

(2.60)

este permeabilitatea magnetica in origine respectiv cea corespunzatoare unghiului pe care il face tangenta in origine la curba de magnetizare cu abscisa. Se observa ca permeabilitatea magnetica creste de la m_i pana la o valoare m_max corespunzatoare punctului T(dreapta OT tangenta la curba de magnetizare) iar apoi scade.

- permeabilitatea magnetica diferentiala (relativa) m_dif

(2.61)

este proportionala cu tangenta trigonometrica a unghiului format de tangenta la curba in punctul P cu abscisa. Curba de prima magnetizare precum si curba de magnetizare au

- permeabilitatea magnetica reversibila:

(2.62)

definita pentru mici variatii DB' corespunzatoare unor variatii DH' ale intensitatii campului magnetic in jurul valorilor (B,H) corespunzatoare punctului P.