Magnesy - terminologia

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.

(BH)max patrz: maksymalna gęstość energii

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.

 

 

Bieguny magnesu

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 patrz: remanencja

Curie temperatura patrz: Temperatura Curie

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

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.

Gęstość energii magnetycznej patrz: iloczyn B·H

Histereza magnetyczna patrz: pętla histerezy magnetycznej

Iloczyn B·H (gęstość energii magnetycznej) jest iloczynem indukcji magnetycznej B i natężenia pola 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 (gęstość strumienia magnetycznego) jest to wielkość wektorowa opisująca pole magnetyczne. Związana jest z natężeniem pola magnetycznego H i polaryzacją magnetyczną J zależnościami:

  • B=m0(H+J) [T - Tesla] w układzie SI;
  • B = H + 4PJ [Gs - Gauss] w układzie CGSM.

 

Indukcja magnetyczna Bs jest wartością indukcji magnetycznej B wytworzonej w materiale magnesu pod wpływem zewnętrznego pola magnesującego o wartości pola nasycenia Hs.

Indukcja remanencji Br patrz: remanencja 

Izotropowe magnesy są to magnesy, których właściwości magnetyczne mierzone w różnych kierunkach są jednakowe. Magnesy takie osiągają niższe wartości podstawowych parametrów magnetycznych od magnesów anizotropowych, ale są tańsze i mogą być z takim samym skutkiem magnesowane w dowolnym kierunku.

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

Koercja bHc (pole koercji bHc, natężenie pola koercji bHc) jest to wartość zewnętrznego, odmagnesowującego pola -H, przy którym indukcja magnetyczna B materiału magnetycznego, namagnesowanego wcześniej do nasycenia (Bs), osiąga wartość B=0.

Koercja jHc (pole koercji jHc, natężenie pola koercji jHc) jest to wartość zewnętrznego, odmagnesowującego pola -H, przy którym polaryzacja magnetyczna J materiału magnetycznego, namagnesowanego wcześniej do nasycenia Js, osiąga wartość J=0. Wartość jHc najlepiej określa odporność danego magnesu na rozmagnesowanie.

 

Krzywa odmagnesowania to druga albo czwarta ćwiartka histerezy magnetycznej, zarówno B(H), jak i J(H).

Krzywa odmagnesowania i punkt pracy

Przykładowe krzywe odmagnesowania indukcji indukcji magnetycznej B, polaryzacji J i odpowiadające im wartości koercji bHc i jHc oraz remanencji Br i Jr

Na krzywych odmagnesowania znajdują się zwykle punkty pracy magnesów i dlatego najważniejsze z punktu widzenia użytkownika parametry magnesów (Br, bHc, jHc, BHmax) zdefiniowano jako punkty tych krzywych.

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:

Hd= - Nd× J

gdzie: Nd  - współczynnik odmagnesowania;

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

dla stosunku L/d = 10: Nd ~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).

 

dla pana Ryszarda_poprawiony

Poglądowe przedstawienie hallotronu.

Napięcie Halla indukujące się na zaciskach napięciowych wyraża się wzorem:

gdzie: RH  - 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. 

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

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.

 

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 Hs = 5 x Hc. 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= μcałk/V

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

μcałk -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 to popularna nazwa magnesu trwałego wytwarzanego z wykorzystaniem ferromagnetycznego proszku na bazie związku Nd2Fe14B. Termin "magnes neodymowy" przeważnie używany jest w odniesieniu do magnesów spiekanych (otrzymywanych metodami metalurgii proszków). Istnieją także "magnesy neodymowe wiązane", w których magnetyczny proszek Nd2Fe14B spajany jest tworzywem sztucznym. Zazwyczaj magnes neodymowy wiązany posiada strukturę izotropową.

Magnes trwały (magnes stały) jest elementem wykonanym z materiału magnetycznie twardego charakteryzującego się szeroką pętlą histerezy magnetycznej. Podstawowym elementem mikrostruktury magnesu są ziarna (mikrokryształy), posiadające oś łatwego namagnesowania. Ideałem jest, aby te ferromagnetyczne ziarna były zbliżone rozmiarem do wielkości domen magnetycznych i znajdowały się w osnowie nieferromagnetycznej (tak zwanej izolacji magnetycznej). Z uwagi na sposób uporządkowania ziaren magnes może być izotropowy lub anizotropowy.

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.

Po namagnesowaniu magnes zachowuje swój stan namagnesowania, dzięki czemu znajduje zastosowanie tam, gdzie wymagane jest wzajemne oddziaływanie pól magnetycznych lub lokalne wytworzenie stałego pola magnetycznego, na przykład w silnikach elektrycznych, miernikach, przetwornikach, czujnikach, licznikach, siłownikach, uchwytach i separatorach magnetycznych oraz wielu innych. Zależnie od zastosowania wybiera się magnesy o odpowiednich parametrach i rozmiarach oraz buduje się obwody magnetyczne, które pozwalają na pełne wykorzystanie ich własności.

Tego typu rozróżnienie dotyczy głównie magnesów ceramicznych – ferrytowych.

Materiały izotropowe są to materiały, których własności są jednakowe we wszystkich możliwych kierunkach w danym materiale. Z kolei materiały anizotropowe charakteryzują się tym, że w pewnych wyróżnionych kierunkach ich własności odbiegają zdecydowanie od średniej. Zjawisko to jest powszechne w monokryształach, w których obserwuje się różnice we własnościach w kierunkach odpowiadających osiom krystalograficznym – jedne kierunki są na przykład kierunkami łatwego magnesowania inne zaś trudnego. Mówimy wtedy, że dany monokryształ jest anizotropowy.

Magnesy ceramiczne są materiałami polikrystalicznymi, a więc składają się z wielu małych krystalitów ułożonych w sposób przypadkowy w objętości całej, rozważanej kształtki.

W związku z tym żaden z kierunków możliwych do wytyczenia w danym materiale nie jest wyróżniony. Magnesy takie nazywamy magnesami izotropowymi. Z kolei, gdy w fazie formowania magnesów (na przykład prasowania) proszek, z którego są prasowane poddamy działaniu zewnętrznego pola magnetycznego spowoduje to uporządkowanie krystalitów zgodnie z kierunkiem przyłożonego pola. W wyniku tego magnesy te będą miały wyróżniony kierunek łatwego magnesowania innymi słowy będą charakteryzowały się anizotropią własności magnetycznych. To są właśnie magnesy anizotropowe.

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

 

Maksymalna gęstość energii (BH)max jest maksymalną wartością iloczynu BH na krzywej odmagnesowania magnesu. Parametr ten jest wykorzystywany do określenia, jak „mocne” magnesy mogą być wytworzone z danego materiału.

 

energia magnesu

 

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.

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 to zespół zjawisk oddziaływania ścian domenowych z elementami wewnętrznej mikrostruktury materiału, na przykład z wydzieleniami czy z granicami ziaren. Utrudniają one ruch ścian domenowych w zewnętrznym polu magnetycznym, to jest odmagnesowanie.

Źródłem elementarnego pola magnetycznego jest elektron obracający się wokół własnej osi. Mówimy, że elektron posiada elementarny moment magnetyczny. Atomy pierwiastków, które mają elektrony o niesparowanych spinach, posiadają moment magnetyczny proporcjonalny do liczby niesparowanych spinów.

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

Nasycenie magnetyczne jest to najwyższy stan namagnesowania materiału magnetycznego, uzyskiwany pod wpływem zewnętrznego pola magnetycznego nasycenia Hs. W tym stanie namagnesowania indukcja magnetyczna i polaryzacja magnetyczna osiągają wartości nasycenia, odpowiednio, Bs i Js.

Natężenie pola magnetycznego (pole magnetyczne) H jest to wielkość wektorowa opisująca pole magnetyczne. Związane jest z indukcją magnetyczną B i polaryzacją J następującą zależnością: H=B/m0 - J [A/m] (w układzie SI).

 

Nd2Fe14B jest to związek międzymetaliczny o szerokiej pętli histerezy magnetycznej, będący podstawowym elementem struktury magnesów neodymowych.

Neodym

Faza ta została opisana w 1983 roku przez japońskiego badacza Masato Sagawę.

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

Vm – objętość magnesu

Vs – 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 jest to taki kierunek wyróżniony w monokrysztale (krystalicie, ziarnie) materiału ferromagnetycznego, wzdłuż którego magnesowanie doprowadza do nasycenia Js przy minimalnym polu magnesującym H.

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 to zamknięta krzywa opisująca zmiany indukcji magnetycznej B lub polaryzacji J w materiale ferromagnetycznym, wywołane zmianami natężenia zewnętrznego pola magnetycznego H. Szeroka pętla histerezy charakteryzuje materiały magnetycznie twarde (magnesy), natomiast wąska pętla histerezy - materiały magnetycznie miękkie. Przykłady pętli B(H) i J(H) przedstawiono schematycznie na rysunkach poniżej.

Kierunki magnesowania (H > 0) i odmagnesowania (H < 0) są kierunkami umownymi, stąd na pętli histerezy można wyróżnić cztery ćwiartki, które parami są sobie równoważne: ćwiartki pierwsza i trzecia są ćwiartkami magnesowania do +Bs (+Js) albo -Bs (-Js), nazywane krzywymi magnesowania, a ćwiartki druga i czwarta są ćwiartkami odmagnesowania (krzywe odmagnesowania).


Pętle histerezy różnych materiałów zmieniają się w różny sposób pod wpływem zmian temperatury i w związku z tym podawane są współczynniki temperaturowe TK(Br) i TK(jHc).

Podstawowe parametry magnetyczne: BrjHc, bHc, (BH)max patrz: właściwości magnetyczne

Polaryzacja magnetyczna (namagnesowanie) J jest sumą wszystkich momentów magnetycznych w jednostce objętości materiału magnetycznego.

Pole magnetyczne jest to przestrzeń, w której na poruszające się ciała obdarzone ładunkiem elektrycznym lub posiadające moment magnetyczny, działa siła. Wielkościami wektorowymi opisującymi pole magnetyczne są: natężenie pola magnetycznego H i indukcja pola magnetycznego B.

Z punktu widzenia użytkownika magnesu pole magnetyczne jest przestrzenią, w której występują oddziaływania magnetyczne. Oddziaływania te rozchodzą się wzdłuż pewnych linii zwanych liniami sił pola magnetycznego.

 

Pole nasycenia Hs jest to minimalna wartość natężenia wzrastającego, magnesującego pola magnetycznego H, od której począwszy polaryzacja magnetyczna J osiąga wartość maksymalną Js, a zmiany indukcji magnetycznej B stają się liniowe (DB= m0H). W praktyce przyjmuje się, że pole Hs jest 3 do 5 razy większe od pola koercji jHc (zależnie od typu materiału).

Pole odmagnesowania krytyczne Hkr jest maksymalną wartością pola odmagnesowującego -H, przy której nie występują jeszcze zauważalne, nieodwracalne zmiany stanu namagnesowania J. Wartość pola Hkr jednoznacznie można wyznaczyć jedynie dla magnesów anizotropowych.

Przenikalność powrotu (rewersyjna) mr określa nachylenie liniowych zmian wartości indukcji magnetycznej B lub polaryzacji magnetycznej J, gdy pole -H odmagnesowujące maleje od punktu pracy do zera.

Punkt pracy magnesu jest to punkt należący do krzywej odmagnesowania B(H) lub J(H), określany dla magnesów pracujących w obwodach magnetycznych.

Remanencja Br (indukcja remanencji, indukcja szczątkowa, strumień resztkowy, pozostałość magnetyczna) jest wartością indukcji magnetycznej, jaką osiąga materiał magnetyczny namagnesowany do nasycenia (Bs), 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 Bs, na przykład z żelaza armco czy stopów kobaltu.

 

 

Remanencja polaryzacji Jr (indukcja remanencji, indukcja szczątkowa, strumień resztkowy, pozostałość magnetyczna) jest wartością polaryzacji magnetycznej J, jaką osiąga materiał magnetyczny namagnesowany do nasycenia (Js), po usunięciu pól magnesujących (H; -H).

Siła koercji patrz: koercja