Właściwości magnetyczne materiałów opisują sposób, w jaki materiał reaguje na zewnętrzne pole magnetyczne. Reakcja może być bardzo słaba, jak w diamagnetykach i paramagnetykach, albo bardzo wyraźna, jak w ferromagnetykach i ferrimagnetykach. W praktyce nie wystarczy jednak powiedzieć, że materiał „przyciąga magnes” albo „nie przyciąga magnesu”.
W elektrotechnice i inżynierii materiałowej ważniejsze są konkretne parametry: podatność magnetyczna, przenikalność, namagnesowanie, histereza, remanencja, koercja, nasycenie i temperatura Curie. Dopiero one pokazują, czy materiał nadaje się na rdzeń transformatora, cewkę, elektromagnes, ekran magnetyczny albo magnes trwały.
Materiał magnetyczny nie zawsze znaczy to samo
W potocznym języku materiał magnetyczny to zwykle taki, który jest przyciągany przez magnes. To wygodny skrót, ale z punktu widzenia fizyki jest zbyt prosty. Prawie każdy materiał w jakiś sposób reaguje na pole magnetyczne, tylko skala tej reakcji może być bardzo różna.
Miedź, grafit albo woda nie zachowują się jak żelazo, ale nie są „magnetycznie zerowe”. Mogą wykazywać diamagnetyzm, czyli bardzo słabe wypychanie z obszaru silniejszego pola. Aluminium lub platyna są paramagnetykami, więc są bardzo słabo przyciągane przez pole, ale po jego usunięciu nie zachowują trwałego namagnesowania.
Największe znaczenie techniczne mają materiały, w których momenty magnetyczne mogą tworzyć uporządkowane struktury. Tu pojawiają się ferromagnetyki i ferrimagnetyki: żelazo, kobalt, nikiel, niektóre stale, ferryty oraz materiały używane w rdzeniach i magnesach trwałych.
Podstawowy podział materiałów magnetycznych
Pierwszy podział pokazuje, jak materiał zachowuje się w zewnętrznym polu magnetycznym. To dobry punkt wyjścia, ale jeszcze nie pełna charakterystyka materiału.
| Typ materiału | Reakcja na pole magnetyczne | Przykłady | Znaczenie praktyczne |
|---|---|---|---|
| diamagnetyki | bardzo słabo odpychane przez pole | miedź, bizmut, grafit, woda | efekt zwykle jest zbyt mały, aby zauważyć go zwykłym magnesem |
| paramagnetyki | bardzo słabo przyciągane przez pole | aluminium, magnez, platyna, tlen | nie zachowują trwałego namagnesowania po usunięciu pola |
| ferromagnetyki | silnie się magnesują i mogą zachować namagnesowanie | żelazo, nikiel, kobalt, niektóre stale | kluczowe w rdzeniach, magnesach, silnikach i elektromagnesach |
| ferrimagnetyki | silnie reagują na pole, ale momenty magnetyczne są częściowo przeciwstawne | ferryty, magnetyt | ważne w rdzeniach, dławikach i układach wysokiej częstotliwości |
| antyferromagnetyki | momenty magnetyczne są uporządkowane przeciwnie i wzajemnie się znoszą | niektóre tlenki metali | ważne w fizyce materiałów i wyspecjalizowanych zastosowaniach |
Ten podział odpowiada na pytanie, jaki jest ogólny typ reakcji materiału. Nie mówi jeszcze, czy materiał będzie dobry na rdzeń transformatora, magnes trwały albo element pracujący przy wysokiej częstotliwości. Do tego potrzebne są parametry ilościowe i charakterystyki materiałowe.
Podatność i przenikalność magnetyczna
Podatność magnetyczna określa, jak silnie materiał ulega namagnesowaniu pod wpływem zewnętrznego pola magnetycznego. Oznacza się ją symbolem \chi. Dla prostego, liniowego przypadku można zapisać:
M=\chi Hgdzie M oznacza namagnesowanie materiału, a H natężenie pola magnetycznego.
Drugim ważnym parametrem jest przenikalność magnetyczna. Opisuje ona, jak materiał wpływa na indukcję magnetyczną w swoim wnętrzu. W praktyce często używa się przenikalności względnej \mu_r, czyli wartości porównanej z próżnią.
Dla liniowego, jednorodnego i izotropowego ośrodka można użyć zależności:
\mu_r=1+\chiTen wzór jest wygodny, ale ma ograniczenia. Ferromagnetyki nie zachowują się liniowo w całym zakresie pracy. Ich przenikalność zależy od natężenia pola, wcześniejszego namagnesowania, temperatury, mikrostruktury i częstotliwości. Dlatego w praktyce nie wystarcza jedna liczba. Potrzebna jest charakterystyka magnesowania.
Ferromagnetyki, domeny i pętla histerezy
Ferromagnetyk nie jest po prostu materiałem, który „mocniej przyciąga magnes”. W jego strukturze występują domeny magnetyczne, czyli obszary, w których momenty magnetyczne atomów są uporządkowane w podobnym kierunku.
W stanie nienamagnesowanym domeny mogą być ustawione tak, że ich wpływ zewnętrzny częściowo się znosi. Po przyłożeniu pola magnetycznego granice domen przesuwają się, a część domen obraca się zgodnie z kierunkiem pola. Materiał zaczyna się magnesować, ale nie zawsze wraca później do stanu początkowego.
Relację między indukcją magnetyczną B a natężeniem pola H przedstawia pętla histerezy B-H. Pokazuje ona, jak materiał przechodzi przez kolejne stany magnesowania, kiedy osiąga nasycenie, ile namagnesowania pozostaje po usunięciu pola oraz jak silne pole przeciwne jest potrzebne do rozmagnesowania materiału.
| Parametr | Co opisuje? | Znaczenie techniczne |
|---|---|---|
| namagnesowanie M | magnetyczną odpowiedź materiału na pole | pokazuje, jak silnie materiał reaguje na zewnętrzne pole |
| indukcja magnetyczna B | efekt pola magnetycznego w materiale | pojawia się w charakterystykach rdzeni, maszyn i transformatorów |
| natężenie pola H | pole wymuszające magnesowanie | pozwala analizować odpowiedź materiału na zewnętrzne wymuszenie |
| remanencja | pozostałość magnetyczną po usunięciu pola | ważna przy magnesach trwałych i zapisie magnetycznym |
| koercja | pole przeciwne potrzebne do rozmagnesowania | decyduje, czy materiał łatwo traci namagnesowanie |
| nasycenie | stan, w którym dalsze zwiększanie pola daje mały przyrost indukcji | ogranicza pracę rdzeni, dławików i maszyn elektrycznych |
| straty histerezowe | energię traconą w cyklu przemagnesowania | wpływają na grzanie rdzeni i sprawność urządzeń |
Powierzchnia pętli histerezy odpowiada energii traconej w jednym cyklu magnesowania jednostki objętości materiału. W urządzeniach pracujących z prądem zmiennym ta strata powtarza się cyklicznie, więc przekłada się na nagrzewanie rdzenia i spadek sprawności.
Materiały magnetycznie miękkie i twarde
W zastosowaniach technicznych bardzo ważny jest podział na materiały magnetycznie miękkie i magnetycznie twarde. Nie chodzi tu o twardość mechaniczną, lecz o łatwość magnesowania i rozmagnesowania.
Materiał magnetycznie miękki powinien łatwo zmieniać stan namagnesowania. Wymaga się od niego dużej przenikalności, małej koercji i możliwie małych strat przy przemagnesowaniu. Takie materiały stosuje się w rdzeniach transformatorów, silników, dławików, cewek i elektromagnesów.
Materiał magnetycznie twardy ma zachowywać namagnesowanie po usunięciu pola. Wymaga się od niego dużej remanencji i dużej koercji. To cecha pożądana w magnesach trwałych, ale nie w rdzeniu pracującym w zmiennym polu.
| Cecha | Materiał magnetycznie miękki | Materiał magnetycznie twardy |
|---|---|---|
| koercja | niska | wysoka |
| remanencja | zwykle niska lub niepożądana | wysoka i pożądana |
| przemagnesowanie | łatwe | utrudnione |
| typowe zastosowanie | rdzenie, dławiki, elektromagnesy, maszyny elektryczne | magnesy trwałe, uchwyty magnetyczne, zapis magnetyczny |
| główne wymaganie | małe straty i szybka odpowiedź na zmianę pola | utrzymanie namagnesowania mimo zakłóceń zewnętrznych |
W transformatorze jednofazowym rdzeń powinien sprawnie przenosić zmienny strumień magnetyczny i nie gromadzić trwałego namagnesowania. W magnesie trwałym oczekuje się czegoś odwrotnego: stabilnego pola i odporności na rozmagnesowanie.
Dlaczego sama przenikalność nie wystarcza?
Wysoka przenikalność magnetyczna jest ważna, ale nie wystarcza do oceny materiału. Rdzeń może dobrze wzmacniać pole przy małym wymuszeniu, a jednocześnie mieć duże straty, niską indukcję nasycenia albo słabą stabilność przy wyższej temperaturze.
Przy pracy zmiennej liczą się także straty od prądów wirowych, straty histerezowe, częstotliwość, geometria rdzenia, szczelina powietrzna i sposób wykonania materiału. Ten sam materiał może zachowywać się bardzo dobrze przy 50 Hz, ale nie nadawać się do pracy przy dziesiątkach lub setkach kiloherców.
W elementach indukcyjnych materiał rdzenia wpływa nie tylko na wartość indukcyjności, ale też na nasycenie i straty. Dlatego cewka indukcyjna nie jest wyłącznie zwojem drutu. Jej zachowanie zależy od rdzenia, prądu, szczeliny, częstotliwości i zakresu pracy.
Temperatura Curie i wpływ warunków pracy
Temperatura Curie wyznacza granicę, powyżej której ferromagnetyk traci uporządkowanie magnetyczne i przechodzi w stan paramagnetyczny. W praktyce oznacza to gwałtowną zmianę właściwości: spadek przenikalności, utratę zdolności do utrzymywania namagnesowania i zmianę pracy całego układu magnetycznego.
To zjawisko jest istotne przy projektowaniu silników, transformatorów, magnesów trwałych, czujników i urządzeń pracujących w podwyższonej temperaturze. Materiał dobrany poprawnie w temperaturze pokojowej może nie spełniać swojej funkcji po przegrzaniu.
Na właściwości magnetyczne wpływa również mikrostruktura: wielkość ziarna, tekstura krystalograficzna, skład stopu, obróbka cieplna, naprężenia i odkształcenia. Dlatego dwa elementy wykonane z podobnego materiału mogą mieć różną koercję, przenikalność i straty, jeśli różniły się procesem produkcji lub historią obciążeń.
Gdzie właściwości magnetyczne mają praktyczne znaczenie?
Dobór materiału magnetycznego ma znaczenie wszędzie tam, gdzie pole magnetyczne jest częścią działania urządzenia, a nie przypadkowym efektem ubocznym.
- w transformatorach liczy się duża przenikalność, małe straty i odporność na nasycenie,
- w dławikach ważne jest zachowanie rdzenia przy określonym prądzie i częstotliwości,
- w silnikach właściwości materiału wpływają na sprawność, nagrzewanie i moment,
- w elektromagnesach potrzebny jest rdzeń łatwo magnesujący się i rozmagnesowujący,
- w magnesach trwałych kluczowa jest wysoka remanencja i odporność na rozmagnesowanie,
- w ekranach magnetycznych istotna jest wysoka przenikalność oraz odpowiednia geometria,
- w układach wysokiej częstotliwości szczególnie ważne są straty rdzeniowe.
W elektromagnesie materiał rdzenia powinien szybko reagować na prąd w uzwojeniu i po wyłączeniu zasilania możliwie łatwo wracać do stanu wyjściowego. W przeciwnym razie pozostałość magnetyczna może powodować niepożądane przyciąganie, opóźnienie działania albo problemy z powtarzalnością pracy.
Kiedy test magnesem nie wystarcza?
Szybka weryfikacja za pomocą magnesu stałego pozwala jedynie jakościowo ocenić, czy materiał wykazuje silną reakcję magnetyczną. Nie dostarcza danych o podatności, przenikalności, stratach, częstotliwości granicznej, koercji ani punkcie nasycenia rdzenia.
W inżynierii materiałowej i elektrotechnice przydatność materiału ocenia się na podstawie charakterystyk i danych katalogowych, a nie samego przyciągania przez magnes. Dopiero zestaw parametrów pokazuje, czy materiał nadaje się na rdzeń, magnes trwały, ekran, czujnik, element silnika albo część układu indukcyjnego.