Terminologia magnetyczna

A B C D E F G H I J K L M N O P R S T U W Z

A

Anizotropowe magnesy

Anizotropowe magnesy są to magnesy, których własności magnetyczne są najwyższe w wyróżnionym kierunku. Mikrostrukturę tych magnesów cechuje wyraźne uporządkowanie osi łatwego namagnesowania poszczególnych ziaren (mikrokryształów). Uporządkowanie to uzyskuje się w trakcie produkcji magnesów, poprzez zastosowanie odpowiednich zabiegów technologicznych, na przykład prasowania w polu magnetycznym. Dzięki temu magnesy anizotropowe osiągają znacznie wyższe wartości podstawowych parametrów magnetycznych niż magnesy izotropowe, wykonane z materiału o tym samym składzie. Ze względu na bardziej skomplikowany proces wytwarzania, magnesy anizotropowe są droższe od izotropowych i mogą być efektywnie magnesowane tylko w jednym, wyróżnionym w trakcie produkcji kierunku.

B

B patrz: indukcja magnetyczna

BHmax

Bieguny magnesu

Ze szkoły każdy wie, że magnes ma dwa bieguny: biegun północny i biegun południowy. Naukowcy składają się raczej do stwierdzenia, że należy posługiwać się oznaczeniami N i S a nie określeniami „północny” i „południowy”. Te określenia pozostawiają dla ziemskich biegunów geograficznych. Warto wiedzieć, że bieguny magnetyczne i geograficzne ziemi nazywa się inaczej. Po prostu odwrotnie. Jeżeli kulę ziemską potraktować jak magnes wytwarzający pole magnetyczne – zwane ziemskim polem magnetycznym, to ziemski biegun magnetyczny sąsiadujący z geograficznym biegunem północnym jest fizycznie biegunem S.

Dlatego jeżeli chcemy wyznaczyć biegun na magnesie należy wiedzieć, że strzałka kompasu, którą pokazuje północny biegun ziemski wskaże na magnesie fizyczny biegun S. Przy określaniu biegunowości magnesu za pomocą kompasu trzeba uważać żeby nie przemagnesować igły kompasu, co czasami może się zdarzyć. Chodzi tu o sytuację, w której zamienią się miejscami bieguny na igle kompasu. Najlepiej zbliżać kompas bardzo ostrożnie rozpoczynając od dużej odległości. Nie należy dotykać kompasem do magnesu. Po określeniu biegunowości jednego magnesu, jeżeli mamy potrzebę oznaczyć jakąś większą liczbę magnesów, najlepiej wykorzystać ten wzorcowy magnes malując na nim wyznaczony wcześniej biegun. Dalej kierujemy się zasadą, że jednoimienne bieguny odpychają się, a różnoimienne bieguny przyciągają się. Czyli N z N-em i S z S-em odpychają się, a S i N zawsze przyciągają się.

To nie prawda, że magnes ma zawsze dwa bieguny. Magnes ma przynajmniej dwa bieguny. Zwykły magnes elastyczny, najczęściej znajdujący się na lodówce, ma bardzo wiele gęsto ułożonych biegunów. Magnesy wielobiegunowe stosuje się także jako sprzęgła magnetyczne lub do zliczania obrotów jakiegoś elementu za pomocą sondy hallotronowej. Jedno jest pewne: ilość biegunów zawsze będzie liczbą parzystą. Każdy biegun N będzie miał swój biegun S. Jak do tej pory nie znaleziono magnesu jednobiegunowego. Taki jednobiegunowy magnes elementarny ma nawet swoją nazwę nazywa się magnonem i ma stanowić podstawowy nośnik magnetyzmu przez analogię do elektronu, lecz jak do tej pory czeka na swego odkrywcę.

Bieguny magnetyczne są pozornym źródłem pola magnetycznego.

Br

C

Curie temperatura

Curie temperatura patrz: Temperatura Curie

D

Domeny magnetyczne

Domeny magnetyczne są to obszary w mikrostrukturze materiału ferromagnetycznego, posiadające jednakowo ukierunkowane momenty magnetyczne poszczególnych atomów.

E

F

Ferromagnetyk

Ferromagnetyk jest to ciało, w którym momenty magnetyczne atomów ustawiają się w pewnych obszarach w sposób uporządkowany. Obszary te nazywa się domenami magnetycznymi. Ferromagnetyk wykazuje własności magnetyczne, czyli przyciąga inny ferromagnetyk lub jest przyciągany. Tak więc ferromagnetykiem jest zarówno sam magnes jak i blacha żelazna, którą przyciąga magnes.

G

Gęstość energii

Gęstość energii magnetycznej patrz: iloczyn B·H

H

Histereza magnetyczna

Histereza magnetyczna patrz: pętla histerezy magnetycznej

I

Iloczyn BH

Iloczyn B·H (gęstość energii magnetycznej) jest iloczynem indukcji magnetycznej B i natężeniem pola magnetycznego odmagnesowującego -H w danym punkcie krzywej odmagnesowania magnesu. Iloczyn ten ma wymiar gęstości energii [J/m³] w układzie SI oraz [Gs·Oe] w układzie CGSM, a jego wartość decyduje o energii zewnętrznego pola magnetycznego, jakie może wytworzyć jednostka objętości magnesu w danym stanie odmagnesowania.

Indukcja magnetyczna B

Indukcja magnetyczna Bs

Indukcja remanencji Br

Izotropowe magnesy

J

J patrz: polaryzacja magnetyczna

Js

K

Koercja

Koercja (siła koercji, pole koercji, natężenie powściągające) jest wskaźnikiem przeciwdziałania, odporności materiału na rozmagnesowanie (patrz: mechanizmy koercji).

Koercja bHc

Koercja jHc

Krzywa odmagnesowania

Kształty magnesów

Kształt magnesu ograniczony jest wyobraźnią konstruktora i możliwościami technologicznymi. Magnesy mają kształt prostopadłościanu, sześcianu, walca, pierścienia i innych figur geometrycznych. Czasami wykonuje się w magnesach dodatkowe otwory ułatwiające mocowanie. Do oddzielnej kategorii zaliczyłbym tzw. magnesy segmentowe. Są one wykorzystywane powszechnie w silnikach. Mówi się, czasami, że są to magnesy „łukowe” albo, że są wycinkiem pierścienia ponieważ wyglądają tak jakby ktoś położył pierścień i rozciął go na kilka części. W samym magnesie nie da się wykonać gwintu. Gwint wykonuje się zazwyczaj w obudowie magnesu.

Kształt magnesu ma wpływ na jego użytkowe własności. Proporcje kształtu są bardzo istotne ze względu na tzw. odmagnesowanie. Jeżeli wyobrazimy sobie magnes wykonany w kształcie walca o długości L i średnicy d i namagnesowany wzdłuż jego osi to bieguny magnetyczne indukowane na powierzchniach czołowych magnesu wytworzą pole odmagnesowujące, którego wartość wyrazi się wzorem:

H_d= - N_d× J

gdzie: N_d - współczynnik odmagnesowania;

dla stosunku L/d = 1: N_d ~0,5;

dla stosunku L/d = 10: N_d ~0,02.

Uważa się, że gdy stosunek L/d > 10 to mamy w praktyce do czynienia z nieskończenie długim prętem. Wynika z tego, że indukcja magnetyczna mierzona na powierzchni bieguna magnetycznego będzie tym wyższa im wyższy będzie magnes w stosunku do jego pozostałych wymiarów, oczywiście jest pewna granica. Nie ma sensu wykonanie magnesu o średnicy 10 mm i długości 1 metra. Indukcja magnetyczna mierzona na powierzchni takiego magnesu będzie zbliżona do indukcji dla magnesu o wysokości kilkanaście czy kilkadziesiąt milimetrów. Wyjątkiem są tutaj magnesy alnico, ale o tym innym razem.

Wartość indukcji magnetycznej mierzonej na powierzchni magnesu zależy od proporcji kształtu magnesu. Obliczona wartość tej indukcji będzie taka sama dla magnesu o średnicy 7 mm i wysokości 3 mm jak i dla magnesu o średnicy 70 mm i wysokości 30 mm. Mam na myśli dwa magnesy wykonane z tego samego materiału magnetycznego. Świadomie piszę obliczona wartość ponieważ podczas pomiaru występuje pewien błąd. Sonda hallotronowa nie dotyka bezpośrednio powierzchni magnesu tylko jest obudowana. To powoduje,
że podając wynik pomiaru należy określić odległość w jakiej znajdował się hallotron od magnesu, zazwyczaj będzie to około 0,5 do 1 mm.

Wyjaśnijmy w tym miejscu co to jest hallotron lub inaczej sonda Halla. Urządzenie to wykorzystuje zjawisko fizyczne polegające na tym, że jeżeli na nośniki ładunków elektrycznych płynące w przewodniku pod wpływem pola elektrycznego podziała się dodatkowo prostopadłym do kierunku tego przepływu polem magnetycznym to zadziała na nie siła Lorentza. Siła ta spowoduje odchylenie torów ładunków elektrycznych prostopadle od kierunku ich przepływu. Jeżeli rozpatrywany przewodnik ma kształt płytki prostopadłościennej o długości l, szerokości w i grubości t to wzdłuż szerokości pojawi się napięcie zwane napięciem Halla - od nazwiska odkrywcy tego zjawiska. Napięcie to jest wprostproporcjonalne do wartości indukcji magnetycznej działającej na przewodnik. Fakt ten jest wykorzystywany w miernikach indukcji magnetycznej (pola magnetycznego).

Poglądowe przedstawienie hallotronu.

Napięcie Halla indukujące się na zaciskach napięciowych wyraża się wzorem:

gdzie: R_H - stała Halla zależna od rodzaju materiału z którego wykonano hallotron;

I/s - gęstość prądu płynącego przez hallotron;

B - indukcja pola magnetycznego;

- sinus kąta między wektorami prądu i indukcji magnetycznej.

Od kształtu magnesu zależy też kształt linii sił pola magnetycznego wokół magnesu. Linie sił pola magnetycznego nie mają swojego początku ani końca. Zwyczajowo mówi się, że biegną od bieguna N do bieguna S, ale jest to kwestia umowna. Płaski magnes będzie miał płasko zamykające się wokół magnesu linie sił pola magnetycznego. Wysoki magnes będzie miał wypukłe, strzelające w górę linie sił pola. Czyli w praktyce wartość natężenia pola magnetycznego zmierzona w konkretnej odległości od magnesu będzie większa dla magnesu wysokiego.

Kształt magnesu ma także wpływ na udźwig czy też siłę oderwania magnesu. Jeżeli mamy do czynienia z płaską, cienką blachą lepiej zastosować magnes płaski o dużej powierzchni. Natomiast w przypadku blachy bardzo grubej powinniśmy wykorzystać magnes względnie wysoki. Po przyłożeniu do cienkiej blachy wysokiego magnesu zostanie ona nasycona polem magnetycznym a jego część pozostanie niewykorzystana i znajdzie sięw powietrzu poza blachą.

Przykład umiejscowienia punktu pracy dla magnesu z obwodu magnetycznego

Z kształtem magnesu wiąże się jeszcze kilka innych ciekawych kwestii. Każdy magnes po wyjęciu z magneśnicy rozmagnesowuje się własnym polem do pewnego poziomu. Mówi się, że dla magnesu ustala się punkt pracy. Odmagnesowanie własnym polem jest większe dla magnesów płaskich a mniejsze dla magnesów wysokich. Po ustaleniu się punktu pracy magnesu, co następuje natychmiast po wyjęciu magnesu z pola magneśnicy, punkt pracy nie zmienia się. Wyjątkiem są magnesy alnico, dla których punkt pracy może obniżyć się jeszcze bardziej w wyniku częstych puknięć i uderzeń w magnes. To właśnie magnesy alnico rozmagnesowują się „z czasem” jak mówią niektórzy, ale tak naprawdę czas nie ma wpływu na własności magnetyczne, tylko rozmagnesowanie się magnesu alnico następuje w wyniku ciągłych puknięć i uderzeń w magnes. Żeby nie zanudzać powiem tylko, że za to zjawisko odpowiedzialny jest m.in. kształt II ćwiartki pętli histerezy magnetycznej materiału magnetycznego w powiązaniu z niską koercją.

L

Linie sił pola magnetycznego

Linie sił pola magnetycznego (linie indukcji magnetycznej, linie sił magnetycznych) są to zamknięte linie przedstawiające kierunek pola magnetycznego.
Dla magnesów trwałych przyjmuje się, że linie sił pola wychodzą z bieguna "N" (tak zwanego "północnego"), a wchodzą do bieguna "S" ("południowego") magnesu.

Linie sił pola magnetycznego

M

Magnes

Magnes wytwarza pole magnetyczne. W pewnych ferromagnetykach wzajemne uporządkowanie momentów domen magnetycznych, wywołane zewnętrznym polem magnetycznym, nie znika nawet po usunięciu tego pola. Takie ferromagnetyki nazywamy materiałami twardymi magnetycznie lub magnesami. Magnes to ciało wytwarzające stałe pole magnetyczne.

Z lekcji fizyki wiemy, że atom składa się z jądra i otaczającej go chmury elektronów – podstawowych nośników ładunków elektrycznych. Elektrony w atomie wykonują dwa ruchy jeden po orbicie wokół jądra atomu i drugi obrotowy wokół własnej osi (z angielska spin). Oba te ruchy można traktować analogicznie jak przepływ ładunku elektrycznego w przewodniku i są one niczym innym jak przepływem elementarnych prądów, wokół których wytwarza się pole magnetyczne. Pole magnetyczne związane z ruchem elektronu po orbicie jest słabe i jego istnienie ujawnia się dopiero w silnych, zewnętrznych polach. Wielokrotnie silniejszym jest pole związane z ruchem obrotowym czyli ze spinem elektronu. Okazuje się, że pojedynczy elektron można traktować jako elementarny magnes. Spiny elektronów przyjmują dwa przeciwstawne kierunki.

W większości pierwiastków atomy posiadają na orbitach wokół jądrowych parzystą wielokrotność elektronów o przeciwnie skierowanych spinach co powoduje, że pochodzące od nich pole magnetyczne wzajemnie się znosi i w związku z tym atomy tych pierwiastków nie wykazują na zewnątrz żadnego pola magnetycznego. Istnieje jednak grupa tzw. metali przejściowych, w których pewne orbity są obsadzone przez nieparzystą liczbę elektronów - w nomenklaturze fizycznej nazywa się to niesparowanymi spinami. W konsekwencji atomy metali przejściowych charakteryzują się trwałymi momentami magnetycznymi (będącymi odpowiednikami dipoli elektrycznych), a więc są źródłem pola magnetycznego. Do metali tych zaliczamy żelazo, kobalt, nikiel i metale grupy lantanu, np. samar Sm, neodym Nd, gadolin Gd.

Jednak sam fakt, że atomy niektórych metali wykazują trwały moment magnetyczny nie wystarcza do tego, aby np. sztabka wykonana z tego metalu wytwarzała wokół siebie pole magnetyczne. Potrzebne są jeszcze co najmniej dwa czynniki. Pierwszy to uporządkowanie momentów magnetycznych pochodzących od poszczególnych atomów takie, aby ich kierunek i zwrot był jednakowy. Zjawisko to zachodzi w ferromagnetykach, do których zaliczają się wszelkiego rodzaju kształtki wykonane np. z żelaza, niklu, kobaltu i ich stopów. Jednak na zewnątrz tych kształtek pole magnetyczne jest nadal zerowe. Dzieje się tak dlatego, że obszary pełnego uporządkowania są przypadkowo rozrzucone w całej objętości kształtek co powoduje wzajemne znoszenie się pochodzących od nich pól. Obszary jednakowego ustawienia momentów nazywane są domenami magnetycznymi. Zastosowanie zewnętrznego, silnego pola magnetycznego powoduje uporządkowanie momentów magnetycznych w całej objętości kształtki, rys. 1a) i1b). Dla pewnej grupy materiałów uporządkowanie to pozostaje nawet po usunięciu zewnętrznego pola. Do tych materiałów zalicza się takie stopy jak alnico, neodym-żelazo-bor czy samar-kobalt oraz materiały ceramiczne jak ferryt baru lub strontu. Kształtki wykonane z wymienionych materiałów (zwanych także materiałami twardymi magnetycznie) to magnesy. W zależności od rodzaju materiału, z którego zostały wykonane, dzieli się je na: magnesy alnico; magnesy neodymowe; samarowo-kobaltowe lub ferrytowe barowe i strontowe.

a)

b)

Rys. 1. Rozkład domen magnetycznych w ferromagnetyku: a) bez zewnętrznego pola magnetycznego; b) w zewnętrznym polu magnetycznym.

Przedstawiony ferromagnetyk jest materiałem polikrystalicznym, w którym obszary pojedynczych ziaren pokrywają się z obszarami domen magnetycznych.

Magnes jest źródłem pola magnetycznego. Na rys. 2a). przedstawiony jest magnes w postaci prostopadłościennej sztabki, tak zwany magnes sztabkowy. Pole magnetyczne jest to przestrzeń wokół tego magnesu, w której magnes oddziałuje na ferromagnetyk określoną siłą. Siła oddziaływania jest stała wzdłuż pewnych linii zwanych liniami sił pola magnetycznego. Dobrą ilustracją obecności linii sił pola są tzw. figury proszkowe uzyskiwane w wyniku rozsypania drobnego proszku żelaza na kartkę papieru umieszczoną nad magnesem, rys. 2b).

Rys. 2. Schematyczny rysunek linii sił pola magnetycznego wokół magnesu sztabkowego, (a) i ich ilustracja przy pomocy tzw. figur proszkowych, (b).

Pole magnetyczne może być stałe lub zmienne. Z polem stałym mamy do czynienia, gdy magnes stanowiący jego źródło znajduje się w spoczynku (stanowi element nieruchomego obwodu magnetycznego), zaś liczba linii sił tego pola przechodzących przez ustaloną powierzchnię jest stała i niezmienna w czasie. Jak uzyskać pole zmienne za pomocą magnesu stałego? Można magnes wprowadzić w ruch. Często używa się sformułowania magnes stały lub magnes trwały. Skąd pochodzą te określenia? No właśnie, magnes stały to konsekwencja tego, że jest źródłem stałego pola magnetycznego a magnes trwały to sugestia, że pole magnetyczne jest trwałe, nie zmienia się w czasie, w odróżnieniu od elektromagnesu, w którym wytwarzane pole magnetyczne można wyłączyć lub włączyć a także nim sterować w czasie zmniejszając lub zwiększają jego wartość. Pola magnetycznego magnesu nie można wyłączyć nawet na chwilę. Pole magnetyczne magnesu można usunąć jedynie w sposób trwały, rozmagnesowując go termicznie (podgrzewając powyżej pewnej temperatury) lub przy pomocy szybkozmiennego pola magnetycznego o zanikającej amplitudzie - wytwarzanego przez elektromagnes. Magnesowanie lub rozmagnesowanie magnetyków przebiega w magnetykach w sposób nieliniowy i podlega zjawisku tzw. histerezy (po grecku - opóźnienie). Na rys. 3 przedstawiona jest przykładowa pętla histerezy magnetycznej.

Rys.3. Przykładowa pętla histerezy magnetycznej ilustrująca magnesowanie ferromagnetyka, B = f(H).

Przedstawiony na rys. 3 przebieg magnesowania materiału magnetycznego, który po raz pierwszy został poddany temu procesowi pokazuje, że startując od zerowego pola magnetycznego poruszamy się po tzw. pierwotnej krzywej magnesowania, aż do namagnesowania nasycenia. Uważa się, że nasycenie techniczne osiąga się dla pola magnetycznego równego minimum H_s = 5 x H_c. Gdy od tego momentu zaczynamy zmniejszać pole stwierdzamy, że namagnesowanie nie spada do zera lecz dla H = 0 przyjmuje określoną wartość zwaną namagnesowaniem resztkowym lub indukcją remanencji, Br. Aby zmniejszyć namagnesowanie do zera należy magnesować materiał w kierunku przeciwnym aż do pewnej wartości pola magnetycznego zwanego polem powściągającym lub polem koercji – Hc. Dalsze magnesowanie prowadzi do namagnesowania do nasycenia lecz o zwrocie przeciwnym do poprzedniego.

Namagnesowanie magnetyka (materiału magnetycznego) można przedstawić w dwojaki sposób.

a) Pierwszy jako magnetyzację M czyli moment magnetyczny na jednostkę objętości magnetyka

M= μ_całk/V

gdzie: M -magnetyzacja magnetyka mierzona w [kA/m] w układzie SI lub [Gs] w CGS;

μ_całk-całkowity moment magnetyczny magnetyka;

V -objętość magnetyka.

Magnetyzacja jest wielkością materiałową, czyli taką która nie zależy od kształtu oraz wymiarów magnetyka i ma określoną wartość jedynie wewnątrz materiału. Poza nim jej równa zero. Historycznie przyjęło się, że dla magnesów magnetyzację nazywa się polaryzacją i oznacza literą J.

b) Drugi sposób jako indukcję magnetyczną B, która w układzieSI wyraża się wzorem

B= μ₀H + M

gdzie: B-indukcja magnetyczna;

m₀ -przenikalność magnetyczna próżni;

H-pole magnetyczne magnesujące magnetyk;

M-magnetyzacja magnetyka.

Magnes neodymowy

Magnes trwały

Magnesy izotropowe i anizotropowe

Maksymalna gęstość energii

Maksymalna temperatura pracy

Poruszając się wśród zagadnień maksymalnej temperatury pracy magnesu, należy zwrócić uwagę na trzy pojęcia: temperaturę Curie, maksymalną temperaturę pracy magnesu oraz maksymalną temperaturę pracy dla materiału magnetycznego.

Temperatura Curie danego materiału magnetycznego jest to taka temperatura, w której materiał magnetyczny całkowicie traci swoje własności magnetyczne i nie jest już źródłem pola magnetycznego. Staje się paramagnetykiem. Nie jest to proces nieodwracalny. Magnes po rozmagnesowaniu termicznym można ponownie namagnesować oczywiście o ile nie zniszczono go fizycznie w wysokiej temperaturze.

Podgrzewając magnes zauważymy, że ciepły magnes jest „słabszy”. Po ostudzeniu magnesu najczęściej okaże się, że jest tak samo „silny” jak przed tym doświadczeniem. (W takim przypadku linia pracy magnesu nie znalazła się na kolanie ani poza kolanem krzywej odmagnesowania tylko w bezpiecznej odległości przed kolanem.) Może się też okazać, że magnes poddamy tak wysokiej temperaturze, że po ostudzeniu będzie słabszy niż przed tym eksperymentem. W takim przypadku linia pracy magnesu znalazła się na kolanie lub poniżej kolana krzywej odmagnesowania. Możemy też tak bardzo rozgrzać magnes, że całkowicie utraci on swoje własności magnetyczne jeżeli osiągniemy temperaturę Curie. No właśnie. Maksymalna temperatura pracy magnesu to taka temperatura powyżej, której magnes częściowo lub całkowicie utraci swoje własności magnetyczne po ostudzeniu do temperatury pokojowej. Maksymalna temperatura pracy magnesu zależy od maksymalnej temperatury określonej dla materiału magnetycznego, z którego jest wykonany magnes, od kształtu magnesu, od kształtu pętli histerezy magnetycznej materiału magnetycznego oraz od obwodu magnetycznego, w którym umieszczono magnes. Mówiąc w skrócie, maksymalna temperatura pracy dla materiału magnetycznego nie jest równoznaczna z maksymalną temperatura pracy określoną dla konkretnego magnesu. Jest najczęściej wyższa. Płaski magnes neodymowy częściowo utraci swoje własności magnetyczne jeżeli zostanie poddany wysokiej temperaturze. Płaski magnes ma nisko ustalony punkt pracy w stosunku do remanencji. Tylko wysoki magnes neodymowy wytrzyma temperaturę określoną jako maksymalną temperaturę pracy dla materiału. Tak więc kształt magnesu jest bardzo istotny. Na przykład zależności pomiędzy kształtem magnesu neodymowego i jego maksymalną temperaturą pracy są bardzo różne dla różnych materiałów neodymowych ale przyjmuje się, że w takim przypadku stosunek średnicy do wysokości powinien wynosić minimum 0,7 żeby magnes neodymowy wykonany z typowego materiału nie rozmagnesował się termicznie. Generalnie rzecz ujmując im magnes wyższy i wykonany z materiału o wyższej maksymalnej temperaturze pracy, tym wytrzyma wyższą temperaturę. Niestety magnesy neodymowe, pomimo wielu zalet muszą być bardzo wysokie aby wytrzymały działanie wysokich temperatur, w praktyce bardzo wysokie, dlatego w wysokich temperaturach używa się inne magnesy np. samarowo-kobaltowe. Zazwyczaj jeżeli magnesy neodymowe będą rozgrzewane podczas pracy, tak jak to dzieje się choćby w silnikach, montuje się je w obwodach magnetycznych, które oprócz spełniania swojej podstawowej funkcji czyli kształtowania drogi przepływu pola magnetycznego i skupiania go, zapobiegają niebezpiecznemu obniżeniu się punktu pracy magnesu w wysokiej temperaturze właśnie poprzez „przedłużenie” magnesu. Czyli magnes neodymowy przyczepiony do grubej żelaznej blachy będzie bardziej wytrzymały na działanie wysokiej temperatury.

Trochę inaczej rzecz się ma z magnesami alnico, samarowo-kobaltowymi czy też ferrytowymi. One są dużo bardziej odporne na działanie wysokich temperatur. Tutaj należy podkreślić zalety magnesów alnico, które mają najwyższą temperaturę Curie i najwyższą maksymalną temperaturę pracy spośród wszystkich magnesów stałych. Ich wadą jest jednak to, że ich punkt pracy jest najbardziej ze wszystkich typów magnesów zależny od wysokości magnesu i dlatego w praktyce magnesy alnico na dużą skalę są wykorzystywane tylko w obwodach magnetycznych i magnesowane razem z obwodami magnetycznymi. Ciekawostką jest fakt, że magnesy ferrytowe ze względu na swoje współczynniki temperaturowe, poddane wysokiej temperaturze są coraz twardsze magnetycznie. Im wyższa temperatura tym trudniej rozmagnesować magnes ferrytowy, natomiast indukcja magnetyczna mierzona na powierzchni rozgrzanego magnesu ferrytowego będzie o wiele niższa, taki magnes będzie „słabszy”. Do stosowania w wysokich temperaturach można za to z czystym sumieniem polecić magnesy samarowo-kobaltowe ponieważ są prawie tak samo „silne” jak magnesy neodymowe ale bardzo wytrzymałe na działanie wysokich temperatur. Mają oprócz tego bardzo korzystne współczynniki temperaturowe. Ich kształt nie ma już ogromnego znaczenia tak jak kształt magnesów neodymowych. Niestety kobalt jest droższy od neodymu.

Materiał magnetycznie twardy i magnetycznie miękki

Magnes jest wykonany z materiału twardego magnetycznie a blacha z materiału miękkiego magnetycznie. Żelazna blacha w momencie, w którym znajdzie się w polu magnetycznym sama staje się magnesem i może być to pole z magnesów stałych lub pole elektromagnesu. Po odjęciu pola od blachy okazuje się, że blacha już nie przyciąga innych żelaznych elementów, rozmagnesowała się. Oczywiście zawsze pozostaje bardzo minimalne namagnesowanie. Jest to tak zwane namagnesowanie resztkowe. Żelazna blacha właśnie dlatego, że po odjęciu pola magnetycznego rozmagnesowuje się jest materiałem miękkim magnetycznie. Istotne parametry dla materiału miękkiego magnetycznie to w tym przypadku przenikalność magnetyczna i indukcja nasycenia. Natomiast magnes stały po odjęciu pola magnetycznego zachowuje swoje namagnesowanie. Każdy magnes na koniec procesu produkcyjnego jest magnesowany. Pole magnetyczne potrzebne do namagnesowania magnesu jest różne w zależności od własności materiału użytego do wytworzenia magnesu, ale zawsze są to pola wytwarzane przez elektromagnes w tym przypadku nazywany magneśnicą. Magnesowanie odbywa się w magneśnicach jarzmowych, w których pole narasta w czasie jednostajnie (przy stosunkowo małych polach) lub impulsowo (zazwyczaj kiedy pole wymagane do namagnesowania jest ogromne). Gdybyśmy włożyli żelazną blachę w magneśnicę i po magnesowaniu wyjęli, natychmiast straci ona swoje własności magnetyczne, które miała w polu magnetycznym. Kształtka magnesu, którą wyjmiemy z magneśnicy zachowa swoje własności magnetyczne i dlatego jest to materiał twardy magnetycznie. Poniższy rysunek ilustruje kształty pętli histerezy magnetycznej dla materiałów twardego i miękkiego magnetycznie.

Pętle histerezy magnetycznej dla dwóch typów materiałów: a) twardego i b) miękkiego magnetycznie

Jak widać na powyższym rysunku materiały twarde magnetycznie charakteryzują się szeroką pętlą histerezy B = f(H), czyli dużą wartością pola koercji Hc. Namagnesowanie resztkowe (indukcja remanencji Br) jest bliskie namagnesowaniu nasycenia. Pole powierzchni ograniczone pętlą histerezy – wprost proporcjonalne do energii jaką może zmagazynować magnes - jest duże. W przypadku materiału miękkiego magnetycznie pętla histerezy jest wąska (mała wartość Hc), zaś namagnesowanie resztkowe Br jest wielokrotnie mniejsze od namagnesowania nasycenia, a tym samym powierzchnia objęta pętlą histerezy jest stosunkowo mała. Materiały miękkie magnetycznie stosowane są w podzespołach, w których magnetyk poddawany jest ciągłemu przełączaniu. W tych zastosowaniach dąży się do tego, aby powierzchnia pętli histerezy była jak najmniejsza, gdyż jest ona miarą energii traconej na przemagnesowanie magnetyka.

Mechanizmy koercji

Moment magnetyczny

N

Namagnesowanie nasycenia

Namagnesowanie nasycenia (polaryzacja magnetyczna nasycenia) J_s jest maksymalną wartością polaryzacji magnetycznej J, uzyskiwaną gdy wzrastające natężenie zewnętrznego, magnesującego pola H osiąga lub przekracza wartość natężenia pola nasycenia H_s (dalsze zwiększanie natężenia pola nie powoduje zauważalnego wzrostu stanu namagnesowania).

Nasycenie magnetyczne

Natężenie pola magnetycznego H

Nd2Fe14B

O

Obwód magnetyczny

Punkt pracy magnesu można podnieść wyżej magnesując magnes razem z obwodem magnetycznym. Obwód magnetyczny niejako „przedłuża” magnes dlatego punkt pracy ustala się wyżej.

Obwód magnetyczny jest wykonany z materiału twardego magnetycznie, czyli magnesu i materiału miękkiego magnetycznie, czyli najczęściej żelaznej blachy. Klasyczny obwód magnetyczny ma kształt litery C. Jest to obwód magnetyczny zamknięty. Sam magnes też jest obwodem magnetycznym, tylko otwartym. Samo przyłożenie magnesu do blachy to stworzenie obwodu magnetycznego, tylko nie zamkniętego. Po takim przyłożeniu magnesu do blachy punkt pracy magnesu nie zmienia się. Jeżeli namagnesujemy magnes razem z blachą i wyjmiemy razem z blachą z magneśnicy, to punkt pracy dla magnesu będzie wyższy. Magnes będzie trzymał się blachy z większą siłą. Jeżeli oderwiemy magnes od tej blachy i przyłożymy go po raz drugi, to siła z jaką będzie się trzymał magnes blachy będzie mniejsza ponieważ magnes rozmagnesował się własnym polem i punkt pracy ustalił się niżej.

Przykład obwodu magnetycznego ze szczeliną składający się z magnesu (kolor szary)
i nabiegunników wykonanych z materiału miękkiego magnetycznie (kolor niebieski).

Pole magnetyczne w szczelinie oblicza się ze wzoru:

gdzie: m₀– przenikalność próżni

V_m – objętość magnesu

V_s – objętość szczeliny

B×H – gęstość energii magnesu w punkcie pracy

Odmagnesowywanie się magnesu własnym polem i ustalanie się punktu pracy dla magnesu nie jest niczym nadzwyczajnym, jest to naturalne zjawisko fizyczne, właściwe dla wszystkich magnesów stałych, zbadane dawno temu, nie wywołujące niezdrowych emocji ponieważ nie przebiega w dłuższym okresie czasu tylko zdarza się jednorazowo tuż po namagnesowaniu magnesu.

Kształt magnesu ma także wpływ na wytrzymałość temperaturową magnesu.

Oś łatwego namagnesowania

P

Paramagnetyk

Paramagnetyk (materiał paramagnetyczny) jest to materiał, w którym bez zewnętrznego pola magnetycznego nie występuje uporządkowanie momentów magnetycznych poszczególnych atomów (momenty magnetyczne zorientowane są przypadkowo i nie tworzą samoistnie struktury domenowej).

Pętla histerezy magnetycznej

Podstawowe parametry magnetyczne

Polaryzacja magnetyczna J

Pole magnetyczne

Pole nasycenia Hs

Pole odmagnesowania krytyczne Hkr

Przenikalność powrotu (rewersyjna) mr

Punkt pracy

R

Remanencja Br

Remanencja B_r (indukcja remanencji, indukcja szczątkowa, strumień resztkowy, pozostałość magnetyczna) jest wartością indukcji magnetycznej, jaką osiąga materiał magnetyczny namagnesowany do nasycenia (B_s), po usunięciu pól magnesujących (H; -H). Praktycznie stan bliski remanencji uzyskuje się w magnesie, po umieszczeniu go w zamkniętym obwodzie magnetycznym wykonanym z materiałów o najwyższej indukcji nasycenia B_s, na przykład z żelaza armco czy stopów kobaltu.

Remanencja polaryzacji Jr

S

Siła koercji

Siła koercji patrz: koercja

T

Temperatura Curie (Tc)

Temperatura Curie (T_c) jest temperaturą, powyżej której ferromagnetyk gwałtownie traci swoje właściwości magnetyczne, stając się paramagnetykiem. Rozmagnesowany termicznie magnes można ponownie namagnesować w temperaturze poniżej T_c.

Trwałość magnesów w czasie

U

Układy jednostek

Parametry magnetyczne są podawane w dwóch układach jednostek: SI (T, A/m, J/m3) oraz CGS (Gs, Oe, GsOe).

Układ jednostek SI stosowany jest powszechnie jako układ obowiązujący urzędowo w wielu krajach. Ponadto jest to układ bardzo wygodny w przypadku projektowych obliczeń obwodów magnetycznych, w których występują elementy elektromagnetyczne (silniki, przetworniki czy mierniki), gdyż pole magnetyczne wyrażane jest w nim w A/m, co pozwala na łatwe porównanie z amperozwojami części elektromagnetycznej obwodu.

Układ CGS stosowany jest często do obliczeń projektowych obwodów magnetycznych, w których nie występują elementy elektromagnetyczne (uchwyty magnetyczne czy separatory). W układzie tym wartość przenikalności magnetycznej próżni (powietrza) wynosi m₀ = 1Gs/Oe. Ułatwia to szereg obliczeń, gdyż występują następujące związki:

B ~ Br – 1.07× H dla magnesu;
B = H dla przestrzeni poza magnesem i magnetowodami.

W tabeli poniżej podano parametry i ich jednostki w obu układach oraz relacje pomiędzy jednostkami:

Parametr	Symbole	Jednostka w SI	Jednostka w CGS	Relacja SI do CGS	Relacja CGS do SI
Indukcja magnetyczna	B, B_r, B_s	Tesla [T]	Gauss [Gs]	1 T = 10 kGs 1 mT = 10 Gs	1 Gs = 10^-4 T 1 kGS = 10^-1 T
Namagnesowanie	J, J_r, J_s	Tesla [T]	A/cm	1 T = 10 kGs 1 mT = 10 Gs	1 A/cm = 1/4π mT 1 kA/cm = 1/4π mT
Natężenie pola magnetycznego	H, H_cB, H_cJ, H_s	Amper na metr [A/m]	Oersted [Oe]	1 A/m = 4π10^-3 Oe 1 kA/m = 4π Oe	1 Oe = (10³/4π) A/m 1 kOe = 10³/4π kA/m
Gęstość energii	BH_max	J/m³	GsOe	1 J/m³ = 40 πGsOe 1 kJ/m³ = 4 π10^-2MGsOe	1 GsOe = 1/40π J/m³ 1 MGsOe = 10²/4π kJ/m³

Użytkowe własności magnesów

Bardzo często istotne jest jaki udźwig ma dany magnes. Na siłę oderwania magnesu od żelaznej blachy ma wpływ wiele czynników. Im większa zawartość żelaza, tym siła oderwania będzie większa. Zauważymy różnicę także wtedy, jeżeli spróbujemy oderwać ten sam magnes od cieniutkiej blaszki i od blachy o grubości kilkanaście milimetrów. Zawsze od grubszej blachy będzie trudniej oderwać magnes. Tak samo jak przy indukcji mierzonej na powierzchni magnesu, proporcje wymiarów magnesu mają bardzo duże znaczenie, ale tym razem wpływ na udźwig ma także wielkość magnesu, a w przypadku cienkich blach - powierzchnia magnesu. Jeżeli chodzi o własności samego materiału, z którego wykonano magnes, to najważniejsza będzie remanencja i koercja H_cBoraz kształt pętli histerezy. Są to parametry praktycznie użyteczne. Koercja H_cJ jest parametrem materiałowym (fizycznym), nie ma bezpośredniego wpływu na udźwig magnesu.

Innym użytkowym parametrem magnesu jest indukcja mierzona na powierzchni magnesu lub w zadanej odległości od magnesu. Wartość indukcji magnetycznej mierzonej na powierzchni magnesu zależy od kształtu magnesu. Im wyższy magnes, tym wyższa indukcja magnetyczna na jego powierzchni. Zależy ona także od remanencji, koercji i kształtu krzywej odmagnesowania. Koercja H_cJnie ma tutaj znaczenia, tak samo jak przy udźwigu magnesu. Ma ona natomiast znaczenie jeżeli magnes jest wykorzystywany w obecności innych silnych pól i dosyć często jest powiązana z maksymalną temperatura pracy, zwłaszcza przy magnesach neodymowych.

Wracając do indukcji, spróbujmy przyłożyć sondę do powierzchni magnesu i przesuwać ją po powierzchni. Okaże się, że w każdym punkcie będzie inna wartość. Dlaczego? Odpowiedź jest prosta. Linie sił pola magnetycznego zakrzywiają się wokół magnesu, raz przechodzą prostopadle przez sondę, innym razem pod innym kątem. Na środku powierzchni bieguna magnetycznego linie sił pola wychodzą z magnesu prostopadle, w innych miejscach na powierzchni bieguna linie sił pola od razu zakrzywiają się. Tak jest blisko krawędzi magnesu. Właśnie blisko krawędzi magnesu jest największą ilość linii sił pola, które zakrzywiają się i biegną w kierunku bieguna przeciwnego. Badając w ten sposób płaski magnes stwierdzimy, że największa indukcja będzie blisko krawędzi magnesu, na obrzeżach powierzchni bieguna magnetycznego. Badając wysoki magnes stwierdzimy, że wysoka indukcja będzie zarówno na środku powierzchni bieguna jak i blisko krawędzi magnesu. To dlatego, że magnes jest już tak bardzo wysoki, że linie sił pola z całej powierzchni magnesu strzelają prostopadle do góry i dopiero ponad magnesem zakrzywiają się.

A co z indukcją magnetyczną wokół magnesu? Będę ją nazywał natężeniem pola magnetycznego. Natężenie pola magnetycznego wokół magnesu też jest różne w zależności od punktu, w którym wykonamy pomiar. Jest to już oczywiste, że natężenie pola magnetycznego w odległości np. 1 cm od magnesu wysokiego będzie dużo większe niż natężenie pola magnetycznego w odległości 1 cm od płaskiego magnesu. A co zrobić żeby pole było jednorodne? Jednorodne czyli wartość natężenia pola magnetycznego powinna być taka sama na jakiejś określonej przestrzeni. W tym celu należy zbudować obwód magnetyczny. Pole wokół samego magnesu nigdy nie będzie jednorodne.

W

Własności magnetyczne materiału

Jest bardzo wiele parametrów magnetycznych określających dany materiał magnetyczny. Najbardziej znanym jest remanencja B_r czy też inaczej indukcja remanencji lub też inaczej namagnesowanie szczątkowe, pozostałość magnetyczna. Jest to taka wartość indukcji magnetycznej, która pozostaje w materiale magnetycznym po namagnesowaniu. Indukcja remanencji jest często mylona z indukcją magnetyczną mierzoną na powierzchni magnesu. Indukcja remanencji zawsze jest dużo wyższa od indukcji mierzonej na powierzchni magnesu. Wyjątkiem jest sytuacja, w której umieścimy magnes w dobrze skonstruowanym obwodzie magnetycznym. Wtedy wartość natężenia pola magnetycznego mierzonego w szczelinie pomiędzy magnesami zamontowanymi w obwodzie magnetycznym może się zbliżyć do wartości indukcji remanencji materiału, z którego wykonano magnesy.

Kolejnym ważnym parametrem jest koercja H_cB(natężenie powściągające) i koercja H_cJ. Koercja H_cB określa jakiego przeciwnego pola należy użyć żeby sprowadzić wartość remanencji do zera. Oznacza to, że na magnes będziemy działali takim polem magnetycznym, które spowoduje, że magnes znajdujący się pod wpływem takiego pola nie będzie źródłem pola magnetycznego. Nie oznacza to, że po odjęciu tego pola rozmagnesujemy magnes. Właśnie koercja H_cJ określa wartość pola, którym rozmagnesujemy całkowicie magnes. Magnes można także rozmagnesować termicznie, o czym była mowa, lub za pomocą zmiennego pola magnetycznego gasnącego w czasie, o różnej wartości w zależności od koercji materiału magnetycznego. Pole potrzebne do namagnesowania magnesu jest najczęściej około pięciokrotnie większe od wartości koercji H_cJ. Magnes można namagnesować mniejszym polem nie do nasycenia. W takim przypadku nie wykorzysta się wszystkich własności materiału, magnes będzie „słabszy” i niestabilny.

Dla remanencji i koercji określa się współczynniki temperaturowe. Zgodnie z definicją współczynnik temperaturowy dowolnego parametru, w tym także indukcji remanencji B_r, można zapisać wzorem:

gdzie: T₂> T₁; B_r(T_ot) – indukcja w temperaturze otoczenia.

Dla różnych materiałów magnetycznych wartości tych współczynników są różne. Mogą być dodatnie lub ujemne i potrafią być zmienne w zależności od konkretnego przedziału temperaturowego. Najkrócej mówiąc dzięki współczynnikom temperaturowym można oszacować o ile będzie „słabszy” dany magnes poddany wysokiej temperaturze, a konkretniej jaka będzie wartość remanencji i koercji w konkretnej temperaturze.

Warto jeszcze powiedzieć o energii magnetycznej inaczej o gęstości energii magnetycznej (BH)_max. To taka wartość umowna, zależna od innych wartości, stworzona po to by pełniej opisać liczbami parametry materiału magnetycznego bez konieczności patrzenia na kształt pętli histerezy. Zależy ona nie tylko od wartości remanencji B_ri koercji H_cBale i od kształtu krzywej odmagnesowania czyli II ćwiartki pętli histerezy magnetycznej. (BH)_maxjest to największy iloczyn indukcji magnetycznej B i natężenia pola magnetycznego H jaki można wykreślić pod krzywą odmagnesowania H_cB. Gęstość energii magnetycznej jest powszechnie używana do porównywania magnesów, choć nie zawsze słusznie. Należy pamiętać,
że jednostką (BH)_maxjest zarówno [GsOe] jak i [kJ/m³]. Zwracam uwagę na tą drugą jednostkę. Mowa jest tutaj o kilodżulach i objętości. Chodzi o objętość magnesu. Można więc porównać dwa magnesy o różnych wielkościach i wykonane z materiału o różnej gęstości energii. Porównując w ten sposób magnesy neodymowe wykonane z różnych materiałów łatwo szybko zauważyć, że wielkość magnesu będzie miała decydujące znaczenie a nie sama gęstość energii magnetycznej. Nie należy porównywać w ten sposób magnesów alnico z innymi magnesami, ferrytowymi czy neodymowymi, itd., ponieważ punkt pracy magnesów alnico zazwyczaj jest bardzo oddalony od wartości remanencji materiału i bardzo zależy od kształtu. Ta wyjątkowość magnesów alnico to efekt bardzo niskiej koercji.

Jeżeli już ktoś chciałby porównywać ze sobą magnesy to proponuje raczej patrzeć na użytkowe własności magnesu i użytkowe własności magnetyczne a właściwie na moment magnetyczny konkretnego magnesu a nie na gęstość energii magnetycznej materiału, z którego wykonano magnes.

koer

Współczynnik odmagnesowania N

Współczynniki temperaturowe TK(Br) i TK(jHc)

Typ magnesu	TK(B_r)	TK(_jH_c)
ferrytowy	-0,19	+0,4
spiekany NdFeB	-0,10...-0,12	-0,6
wiązany NdFeB	0,07...-0,13	-0,4
SmCo₅	-0,05	-0,3
Sm₂Co₁₇	-0,03	-0,2
AlNiCo izotropowy	-0,03	-0,02
AlNiCo anizotropowy	-0,02...-0,025	+0,02

Z

Ziemie rzadkie (metale ziem rzadkich)

Ziemie rzadkie (metale ziem rzadkich): Rodzina pierwiastków chemicznych o liczbach atomowych od 57 do 71 oraz 21 i 39. Do grupy tej należą:

lantanowce (La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu);
Skand (Sc)
Itr (Y).

Magnesy	Izotropowe	Anizotropowe
Ferrytowe (ceramiczne)
AlNiCo
Samarowo-kobaltowe
Spiekane NdFeB
Wiązane NdFeB

Terminologia magnetyczna

Magnes neodymowy

Informacje kontaktowe