Az anyagok m

ágneses tulajdonságai

Alkalm

azási területekA

lkalmazási területek

Jelentőségük(lágy: n*10

6tonna/év, kem

ény: n*103

tonna/év)

Ókori K

ína ( II.sz.) Iránytű

1880M

artenzites állandómágnes

1900F

e -S

i ötvözet1923

Fe -

Ni ötvözet

1

1923F

e -N

i ötvözet1935

Első m

ágnesszalag1946

Ferritek m

egjelenése1966

Ritkaföldfém

-kobalt kem

énymágnesek

1975Irányított M

n-Al-C

keménym

ágnesek

2

Példák lágy és kem

énymágneses anyagokra

3

Mágneses tér ⇔

anyag kölcsönhatás

leírása

κµ

κ

µµ

µ µ

+=

==

+=

= =

∑1

1

)(0

0

i

r

PV

HM

MH

HB

HB

=

⋅=

−

AH

Tm V

sB

Am

Vs

2

70

104π

µ

4

κµ

+=

1r

m AH

Mágneses perm

eabilitás

Mágneses szuszceptibilitás

(érzékenység)

Mágneses dipólusm

omentum

konst

Bp

W

Bp

m

+−

=

×=

τ

AI

Pm

=

lm

P=

dx B

dp

F

konst

Bp

W

m

m

=

+−

=

Hom

ogén mágneses térben m

omentum

ra erő nem

hat csak nyomaték.

5

lm

Pm

=erő nem

hat csak nyomaték.

Mom

entum energiája csökken ha térirányba

áll be.

Egym

ással igyekeznek párhuzamosra

beállni.

Mágneses tulajdonságok eredete

Egyedi elem

i részecskék mágneses tulajdonságai

Szabad atomok m

ágn. tulajdonságaiSzabad atom

ok mágn. tulajdonságai

saját (spin)m

ágn. mom

entum (elektron

, proton, neutron)pályam

omentum

Atom

i (spin) mágn. m

omentum

→B

ohr magneton

Betöltött héjak spin m

omentum

a NU

LL

A.

m q

m

qh

B2

4

h=

=π

µ

6

Szilárd testekP

ályamom

entumok kom

penzálják egymást (befagynak)

⇒C

sak a betöltetlen héjak spinmom

entumait

kell számításba venni.

mm

24π

Mágneses anyagok csoportosítása

Gyengén m

ágneses anyagok

Dia

(lezárt elektronhéj) κ<

0(≈10

-5) Univerzális tulajd.

(Si, C

u, Zn, A

g. Cd, A

u…)

Para

(legalább egy páratlan elektron) κ>

0(10

-3-

10-5)

(Mg, A

l, Ti, W

…)

7

Rendezett m

ágneses szerkezetű anyagok(3d, 4f héj telítetlen, dom

énszerkezet)

Fe: 1s

22s

22p

63s

23p

63d

64s

2 ⇒4 B

ohr magneton

Ferro ↑

↑↑

↑↑

↑↑

↑↑

↑↑

↑↑

↑↑

↑(F

e, Co, N

i, Gd), ötvözetek, H

eussler (Mn, C

r)

Antiferro ↑

↓↑

↓↑

↓↑

↓↑

↓↑

↓↑

↓↑

↓(C

r, Mn)

Ferri ⇑⇑⇑ ⇑

↓↓↓ ↓⇑⇑⇑ ⇑

↓↓↓ ↓(F

e3 O

4 , CrO

2 , ErO

…)

↑↑↑ ↑↓↓↓ ↓

↑↑↑ ↑

↑↑↑ ↑

↑↑↑ ↑

↑↑↑ ↑

8

Rendezett szerkezetű m

ágneses anyagok jellem

zése (hiszterézis)60

60

-20 0

20

40

60

-1-0

,8-0

,6-0

,4-0

,20

0,2

0,4

0,6

0,8

1

-20 0

20

40

60

-1-0

,8-0

,6-0

,4-0

,20

0,2

0,4

0,6

0,8

1

9

-60

-40

-60

-40

Klasszikus m

ágneses paraméterek m

érése

10

Hiszterézis görbéb

ől szárm

aztatott jellemzők

Első m

ágnesezési (szűz) görbe, dinam

ikus középgörbe

M(H

) és B(H

) hiszterézis görbék

Belső, m

ellék hiszerézis. Telítés !!!

Telítési indukció (BM

), Rem

anens indukció (BR ),

Koercitív erő (H

c )

Perm

eabilitások (µ): kezd

ő, maxim

ális, differenciális,

11

Perm

eabilitások (µr ): kezd

ő, maxim

ális, differenciális, növekm

ényes (irreverzibilis)

Jósági szám (B

H)m

ax , négyszögletességi tényező B

R/ /B

M

stb.

BM

, BR , H

Cösszetétel, technológiai hatások

BM

: csak a kémiai összetételtől függ

BM

: csak a kémiai összetételtől függ

(Bohr m

agnetonok térfogategységenkénti száma)

Maxim

um →

70Fe -

30Co (P

ermendur)

Alakítás hatására: H

Cnövekszik B

Rcsökken

12

Maxim

um →

70Fe -

30Co (P

ermendur)

(2,4 Bohr m

agneton/atom, B

M=

2,45 T)

A m

ágneses tulajdonságokat m

eghatározó energia tagok

∑∑

+−

=M

HS

TU

F

Kicserélődési energia

Kristályanizotrópia energia

Magnetoelasztikus energia

13

Magnetoelasztikus energia

Dom

énfal energia

Mom

entum beállásból szárm

azó (entrópia) többlet

Magnetosztatikus és lem

ágnesező energia

Problém

ák

1. Mi az oka a rendkívül erős m

ágneses tulajdonságoknak?1. M

i az oka a rendkívül erős mágneses tulajdonságoknak?

2. Miért nincsen m

ágneses tulajdonsága a magas

hőm

érsékletről lehűtött ferrom

ágneses anyagoknak?

14

Dom

én szerkezetW

eiss (1907)D

omén: telítésig m

ágnesezett tartomány,

ahol minden m

omentum

párhuzamosan áll.

ahol minden m

omentum

párhuzamosan áll.

Bitter (1931)

Faraday, K

err effektusok (magneto-optikai jelenségek)

TE

M, S

EM

technikák

15

1012-10

18elem

i mom

entum, m

éret: 10-2-10

-5cm

Mi határozza m

eg a domének m

éretét?

Magnetosztatikus energia

Hküls

ő tér, Mm

ágnesezettségű m

inta (N: alaktényez

ő)

20

02

NM

Md

HW

m

µµ

=−

=∫ 0

2N

MM

dH

Wm

µ=

−=

∫

16

Magnetostrikció, m

agnetoelaszticitás

Mágneses tér hatására történ

ő méretváltozás.

λa telítéshez tartozó érték (50-100 10

-6)V

∆=

λλ

a telítéshez tartozó érték (50-100 10-6)

H

l l V V

lineá

ris

térfog

ati

∆=

∆=

λ λ

17

λ =

0 λ > 0

λ <

0 P

l: 1 m hosszú

λλλ λ=

100 10-6

Méretvátozás: 0,1 m

mF

e λ>

0, Ni λ<

0

ultrahang generátortranszform

átor zúgása

Magnetostrikció

18P

okikristályosE

gykristályos

Könny

ű és nehéz mágnesezési irányok.

Görbék alatti területek különbsége.

Görbék alatti területek különbsége.

19

Mi határozza m

eg a domének

orientációját ?

Egyensúlyi állapotban, a dom

ének mágnesezettsége

valamelyik könny

ű mágnesezési irányba m

utat.

⇒dom

énfalak típusai

Fe [100] ⇒

90°és 180°

20

Fe [100] ⇒

90°és 180°

Ni [111] ⇒

70,53°és 109,47°

Dom

énfal (energia)F

altípusok:

•Bloch-fal (töm

bi anyag)•B

loch-fal (tömbi anyag)

•Néel-fal (vékonyréteg)

•Tüskés-fal (cross-tie)

•Lánc-fal

21

Akadályok, rögzítettség m

értéke függ a relatív mérettől.

Vastag falak könnyeben m

ozognak mint a vékonyak.

(Nagy és kis átm

érőjű kerék a göröngyös úton.)

FE

RR

OM

ÁG

NE

SES D

OM

ÉN

EK

Kim

utatás: Bitter-m

ódszerrel

Dom

ének izotróp Fe-S

i transzformátor-lem

ezben

22

Dom

enhatárok kockatexturált transzformátor-

lemezben.

[100]

23

Az átm

ágneseződési folyam

at kinetikája

Falm

ozgásreverzibilisirreverzibilis(irány m

indig KI)24

Forgás

inkoherenskoherens(irány eltér a K

I-tól)

Reverzibilis falm

ozgás vas egykristályon

25

Falm

ozgás Fe-C

o ötvözeten

26

Hőm

érsékletfüggés (ferro)

BS

µµµ µK

HC

BS

Reverzibilis, végtelenszer

ismételhető

Hőm

érséklet érzékelők, tűzjelz

ők, forrasztó páka …27

Ferrom

ágnesC

urie-hőm

érséklet

Antiferro m

ágnesesN

éel-hőm

érséklet

TC

T

Barkhausen-zaj

Mágnesezés m

echanizmusa:

Mágnesezés m

echanizmusa:

1.reverzibilis dom

énfalmozgás

2.irreverzibilis dom

énfalmozgás, dom

énfalak ugrásszerűm

ozgása ⇒B

arkhausen-zaj (kvázi-sztohasztikus zaj)3.

inkoherens forgás4.

koherens forgás

28

Hc

Irrev

ers

ible

do

ma

in w

all

dis

pla

ce

me

nt ra

ng

es

.

Barkhausen-zaj függ :

mechanikai feszültségi állapot

29

szövet-ill. diszlokációs szerkezet

Vizsgálati (roncsolásm

entes) módszer 1975-től

30

Mágnes tulajdonságok

változtatásának lehetőségeiváltoztatásának lehetőségei

A műszaki alkalm

azások lágy és kem

énymágneses anyagai31

lágy és keménym

ágneses anyagai

M

ÁG

NE

SES A

NY

AG

OK

(Felosztás a m

ikroszerkezetük alapján)

Fém

es mágneses anyagok

Polikristályos anyagok T

iszta fémek

Polikristályos anyagok Ö

tvözetek

Am

orf anyagok N

anokristályos anyagok

Mikrokristályos anyagok

Kevert szerkezetek

Polikristályos

32

Ferritek (kerám

iák) P

olikristályos

Egykristályos

Spec. mikroszerkezetek

Kom

pozitok

Mágneses gélek

Multirétegek

A m

ágneses jellemzők

megváltoztatásának m

ódjai

A B

Rnövelésének m

ódja:anizotrópia keltés

Anizotrópia: kristály, indukált

•TC

közeli mágnesteres h

őkezelés (irányított diffúzió).

•Alakanizotróp szem

csék beforgatása (mágnestérrel) a

mágnesezési irányba.

33

mágnesezési irányba.

•Könny

űmágnesezési irányú szem

cseirányítás (Goss, kocka)

•Irányított kristálynövesztés (keménym

ágnes).

•Mechanikai feszültség keltése (húzó/nyom

ó).

A m

ágneses jellemzők

megváltoztatásának m

ódjai

HC

növelésének módjai:

•Dom

énfalmozgás akadályozása

(szemcsem

éret, kiválás, hibaszerkezet...)

•Dom

énfalvastagság (d) és akadályszélesség (D) kapcsolata.

34

•Dom

énfalvastagság (d) és akadályszélesség (D) kapcsolata.

d >>D

gyenge hatás, d ≈D

erős akadály

Lágym

ágnesek jellegzetes felhasználási területei

Elektrom

echanikus eszközök:E

melő, m

ozgató mágnesek, relék, m

ágneskapcsolók

Elektrom

ágneses indukció alapján működ

ő eszközök:T

ranszformátorok, fojtók, generátorok, m

otorok, leválasztó elem

ek

35

leválasztó elemek

Mágnestér árnyékolások

Fluxusvezető elem

ek

Felhasználói igények a

lágymágneses anyagoknál

BM

Nagy

µN

agyH

CK

icsiF

ajlagos ellenállásN

agyC

urie-hőm

érsékletN

agyA

lakíthatóságN

agy

Tiszta fém

ek és hom

ogén szilárd oldatok.

36

Alakíthatóság

Nagy

Veszteség

Kicsi

Hiszterézis terület

Kicsi

oldatok.

Ötvözetek jobbak.

Mechanikai kem

énység ⇔M

ágneses keménység

Igények ⇒

•Minél több és nagyobb m

ágneses mom

entumú atom

ot •M

inél több és nagyobb mágneses m

omentum

ú atomot

tartalmaz térfogat egységenként.

•Anizotrópia (állandó) kicsi.(A

nizotróp, lágyított újrakristályosított szerkezet.)

•Kristályrácsban sok a könny

űmágnesezési irány (köbös).

•Rácshibas

űrűség és a belső m

echanikai feszültségek

37

•Rácshibas

űrűség és a belső m

echanikai feszültségek m

inimálisak.

•Magneto-elasztikus/strikciós (állandó) effektus m

inél kisebb.

Lágym

ágnes anyagok néhány típusa

Anyagcsalád

Telítési-indukció [ T

]

Fe-Co

2,3-2,4 Fe-C

o 2,3-2,4

Fe 2,0-2,1

Fe-Si 1,7-1,9

50 Ni-50Fe

1,3-1,5

75 Ni-25Fe

0,7-0,8

30 Ni-70Fe

0,1-0,7

38

Veszteség

i tényező: v

1.0

, v1.5

, v1.7

30 Ni-70Fe

0,1-0,7

Tiszta F

eB

S(20°C

) = 2,15 T

µm

ax=

5.000 -300.000 A

/cm

99,95 % F

e , 0,005% C

AR

MC

O99,95 %

Fe , 0,005%

C A

RM

CO

Ötvözetlen elektrotechnikai lem

ez (F

edin, Ferm

ax…)

Interstíciós C, N

, O ⇒

rácstorzulás

39

Dekarbonizálás

Tulajdonságai er

ősen szórnakG

yártási technológiája nem tartható kézben

Tiszta F

e

Magnetostrikció ⇒

erős feszültség függésfeszültség függés

Feszültség m

entesítés, hőkezelés

40

hőkezelés

Fe -

Si ötvözetek (lem

ez)E

rősáramú alkalm

azás (nagy H, kis f)

Traszform

átor, dinamó-lem

ez(0,2 -

0,5 mm

)S

i hatása: csökkenti az anizotrópiát

Optim

um: 6-7 %

Si rideg, kem

ényT

ranszformátor: 4-4,5 %

Si

Dinam

ó: 3,2-3,6 % S

i

Interstíciós ötvözők: C

, O, P, M

n, S

41

Interstíciós ötvözők: C

, O, P, M

n, SM

aradó feszültség

Hőkezelés: nedves hidrogénben

C <

0,04 %Textúrált F

e -S

i lemezek

Külső H

párhuzamos valam

elyik könnyű m

ágnesezési iránnyalH

engerlés ⇒szem

cse orientáció ⇒anizotróp, textúrás szerkezet

Mágnesezési irány m

eghatározott !!!M

ágnesezési irány meghatározott !!!

(100) (100)

GO

SS K

OC

KA

42H

engerlési, mágnesezési irány

(011) (010)

Fe -

Ni ötvözetek (P

ermalloy)

50% N

i -50%

Fe

80% N

i -20%

Fe

Kis telítési indukció (F

e-2,2 T, Ni-0,6 T

)N

agy permeabilitás (20.000 -

70.000)K

is veszteség

Ni3 F

e szuperrács(75%

Ni, 500 °C

) megakadályozandó !

Alakítás

rendkívül sokat ront a tulajdonságokon.

43

Lágyítás (900-1000 °C

, 1h), gyors hűtés,

feszültségmentesítés (600 °C

), gyors hűtés

TC -nél m

ágnestérben hűtés ⇒

permeabilitás * 10

Am

orf ötvözetek, üvegfémek,

nanokristályos ötvötetekA

amorf

Aam

orfN

Cnanokristályos

MC

mikokristályos

FIN

IME

Tkevert

Rendkívül kis H

C

Barkhausen zaj nincs

Vékony szalagok (0,02-0,05 m

m)

Eutektikus összetétel

Transzform

átor mag:

Fe-S

i-B-(C

)

44

Eutektikus összetétel

Átm

eneti fém (N

i, Co, F

e, Mn)

Nem

fémes ötv.: (S

i, P, N, C

, B)

Gyorh

űtés (105

K/sec)

Hőkezelés, törékenyek

Fe-S

i-B-(C

)F

e-Co-B

-Si

Ni40 -F

e40 -P

14 -B6

Fe

29 -Ni49 -P

14 -B6 -S

i2

Lágy ferritek, gránátok

Kerám

ia mágnes (K

öbös spinel, Ferrim

ágneses rend)⇒

Porkohászati technológia

⇒R

ideg, törékeny, nem alakítható (köszörülés)

⇒R

ideg, törékeny, nem alakítható (köszörülés)

⇒S

zigetelő (rossz félvezető) ⇒nagy frekvenciás alkalm

azások

MO

Fe

2 O3

FE

RR

IT(M

kétvegyértékű fém

: Mn, Z

n, Ni)

Fe m

omentum

ok kompenzálják egym

ást ⇒B

Skicsi

45

3M2 O

3 5Fe

2 O3

GR

ÁN

ÁT

(M kétvegyérték

ű ritkaföldfém: S

m, E

u, Gd)

Ittrium ötvözés →

YIG

Lágy ferritek, gránátok

Köbös spinel szerkezet:

O ionok

FK

KF

e ionokoktaéderes 1/2 0 0

tetraéderes 1/4 1/4 1/4

Típ

us

Alk

alm

azá

si fr

ek

ve

ncia

µµµ µ

K

BM

Mn

-Zn

<

1 M

Hz

>

20

00

0

,3-0

,4 T

Fe ionok

oktaéderes 1/2 0 0tetraéderes 1/4 1/4 1/4

M ionok

oktaéderes

46

Mn

-Zn

<

1 M

Hz

>

20

00

0

,3-0

,4 T

Ni-Z

n

< 1

GH

z

50

0-1

00

0

0,1

-0,1

5 T

Grá

ná

t Y

IG, Y

AG

>

1 G

Hz

(m

ikro

hu

llám

)

Felhasználói igények a

keménym

ágneses anyagoknál

BM

Nagy

BR

Nagy

(BH

)max

Nagy

Hiszterézis terület

Nagy

47

HC

>>> >4kA

/m≈50[O

e]N

agy

Kem

énymágnes jelleggörbe

Igények ⇒

•Többségi fázis m

inél nagyobb és térfogategységenként m

inél több mágneses m

omentum

ot tartalmazzon.

minél több m

ágneses mom

entumot tartalm

azzon.

•Többségi fázis finom

eloszlású, és mérete nem

haladja meg

a domenm

éretet.

•Többségi fázisban kevés a könny

űmágnesezési irány

(kristály-anizotrópia: hexagonális és tetragonális).

48

•Indukált anizotrópia legyen nagy. N

agy l/d ellipszoidok (alakanizotrópia).

Kem

énymágnesek jellegzetes

felhasználási területeiL

égrésben előírt indukció keltése / fenntartása.L

égrésben előírt indukció keltése / fenntartása.

Drága, sokszor alakíthatatlan.

Híradástechnika:

hangszórók, mikrofonok, m

ikrohullámú eszközök

Méréstechnika:

49

Méréstechnika:

galvanométerek

Mechanikai m

ozgatás, rögzítés:m

otorok, emelő stb. m

ágnesekM

ágneses információ tárolás:

magnó, videó, floppy, m

erevlemez

Kem

énymágnek néhány

típusatípusa

Martenzites

(olcsó, klasszikus)

Alnico, T

iconal (szokásos, töm

egtermék)

Cu-N

i-Co, F

e-Co-V

(alakítható)

Pt-C

o, Pt-F

e(kitűn

ő, drága)

50

Pt-C

o, Pt-F

e(kitűn

ő, drága)

R-C

o(legjobb, m

agas ár)

Nd-F

e-B(kitűn

ő, de alacsony TC )

Hexaferritek

(olcsó, porkohászat, egyszerű alkalmazások)

250

300

350

3)

Kem

énymágneses anyagok összehasonlítása

Alnico, K

emény ferrit, N

dFeB

, R2 C

o17 , R

Co

5

50

100

150

200

250

(BH)max (kJ/m3

51

0

50

050

01

000

15

00

200

025

00

300

0

HC (k

A/m

)

Martenzites szerkezetű kem

énymágnesek

Martenzites fázisátalakulás ⇒

feszültség+

magnetostrikció

Bain torzulás: fkk →

tkt ⇒m

artenzit tű, húzófeszültség az [100] irányban (könny

ű irány)[100] irányban (könny

ű irány)

Magnetostrikciós együttható >

0

HC , B

Rnövekszik

52

W, M

o, Cr ötvözés

⇒karbidok ⇒

doménfal m

ozgás nehezedik ⇒H

C nő

Olcsó, egyszerű alkalm

azásokhoz.

Alnico, T

iconal

Spinodális bom

lás: α→

α1 +

α2

(koherens fázishatár)

α1

≈FeC

o (tkk szilárd oldat) ferrom

ágneses

α2

≈Fe

2 NiA

l(tkk szilárd oldat) param

ágneses

Fe -

Al -

Ni -

Co ötvözetek

2 2

De: γ

(fkk) elkerülendő

α1 dom

énméret

α2 dom

énfal

53

Dom

en méretű

ferromágneses fázis

nem m

ágneses „kvázi-dom

enfallal elválasztva. +

Alakanizotrópia.A

lnico technológia

Rideg ⇒

öntés, porkohászat

Hőkezelés

Hom

ogenizálás (~1300 °C) →

α

Gyors h

űtés 800 °C-ra (γ

elkerülése)

Mágnesteres h

őkezelés 800 °C-on (C

urie T) →

α1 +

α2

szerkezet α

54

1 2

és α1 alakanizotrópia

Hőntartás 580 °C

, 14 h →C

o diffúzió α1 fázisba ⇒

BR , B

Mnő

Irányított hőelvonás

Kristálynövekedés leggyorsabb az <

100> irányokban

Alakanizotrópia

Alakanizotrópia

Anizotróp m

ágnes

[100] KI

Könny

ű

55

Könny

ű m

ágnesezési irány

Cu-N

i-Fe, C

u-Ni-C

o

Alakítható kem

énymágnesek

Gyengébb m

inőség

ű mint az A

lnico de képlékenyen alakítható.

56

ES

D m

ágnesekE

longated Single D

omain

Hosszúkás, egydom

én méretű szem

csék (C

uNiF

e, MnB

i, Fe

3 O4 , B

áriumferrit, S

tronciumferrit…

)

Kötőanyag (m

űanyag, gumi, alacsony olvadáspontú fém

)

57

Pt -

Co, P

t -F

e

Legjobb kem

énymágnes

80% P

t (drága)

fkk rács + rendez

ődés

850 °C-ról h

űtés

58

600-650 °C rendez

ődés (nagy kristály anizotrópia)

R-C

o (ritkaföldfém-C

o)

RC

oés R

Co

összetételű intermetallikus vegyületek

RC

o5

és R2 C

o17

összetételű intermetallikus vegyületek

R: L

a, Ce, P

r, Nd, Sm

, Eu, G

d, Tb…

)

Hexagonális szerkezet ⇒

nagy kritályanizotrópia

Sm

Co

5

59

5

PrC

o5

HC

= 400 -

700 kA/m

Pr0 ,5 S

m0,5 C

o5

Sm

2 Co

17

Szam

árium, P

razeodímium

Kem

ény ferritek (Hexagonális ferritek)

Nem

fémes m

ágnesek, kerámiák

Bárium

ferritB

aFe

12 O19

1219

Stroncium

ferritS

rFe

12 O19

BS

kicsi (max. 0,46-0,47 T

)H

Cnagy (130-250 kA

/m) ⇐

Nagy egytengely

ű anizotrópiaR

ideg, törékeny, alakíthatatlan (köszörülés)

60

Rideg, törékeny, alakíthatatlan (köszörülés)

Szigetelő

Curie h

őmérséklet alacsony

Olcsó